CN113422188A - 利用3d打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导 - Google Patents
利用3d打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113422188A CN113422188A CN202110704572.8A CN202110704572A CN113422188A CN 113422188 A CN113422188 A CN 113422188A CN 202110704572 A CN202110704572 A CN 202110704572A CN 113422188 A CN113422188 A CN 113422188A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- hollow cylindrical
- pdms
- terahertz
- cylindrical waveguide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
- H01P3/16—Dielectric waveguides, i.e. without a longitudinal conductor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P11/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing waveguides or resonators, lines, or other devices of the waveguide type
- H01P11/001—Manufacturing waveguides or transmission lines of the waveguide type
- H01P11/006—Manufacturing dielectric waveguides
Abstract
本发明提供了一种利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导，空芯圆柱波导基管的制备方法包括：第一步，设计与绘制空芯圆柱波导基管结构；第二步，将空芯圆柱波导基管的文件导入3D打印机，打印材料选用聚碳酸酯和橡胶的复合材料。所述波导反射层的制备方法包括：第一步，将(PDMS)预聚体与固化剂按照重量比10：1复合；第二步，将PDMS与银纳米粒子按照重量比1：1复合，搅拌30分钟使其均匀混合，获得PDMS和银纳米粒子混合物，然后去除气泡。第三步，将PDMS和银纳米粒子混合物匀速注入太赫兹波导基管内部；第四步，将太赫兹波导基管垂直固化，波导包括空芯圆柱波导基管和波导反射层。本发明能够实现柔性可拉伸太赫兹波导低损耗的单模传输。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹传输波导生产方法技术领域，具体地，涉及利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导。
背景技术
目前，随着太赫兹技术的发展，太赫兹源和太赫兹探测器的研发都已相对成熟，高性能太赫兹传输介质与波导的需求也更加急迫。为满足太赫兹技术在结构复杂的环境中应用，例如无损检测，内窥成像等。对太赫兹波导的柔性，延展性也提出更高要求。其中较为有效的结构是：保护层—金属薄膜—介质层—空气纤芯，制备顺序可以分为“由外至内”和“由内至外”。针对“由外至内”，第一步，选择柔性较好的聚合物材料，例如聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚四氟乙烯等，通过拉丝工艺获得太赫兹波导基管，作为保护层；第二步，在基管内表面采用液相化学沉积制备金属薄膜；第三步，使用在太赫兹波导吸收损耗较低的聚合物，例如，聚苯乙烯，环烯烃树脂等材料，采用物理方法将其制备在金属薄膜内表面(申请号为WO2016022757A1的国际发明专利，公开了“SINGLE CHANNEL TERAHERTZ ENDOSCOPY”)。针对“由内至外”，第一步，采用拉丝工艺将太赫兹波段吸收系数较低的聚合物毛细管拉制成太赫兹波导基管，作为介质层；第二步，在介质层外部采用液相化学沉积的方法制备金属薄膜；第三步，在金属薄膜外部镀制树脂橡胶，作为波导保护层。(申请号为CN112751152A的中国专利，公开了“一种太赫兹波导及其制备方法”；申请号为CN111158083A的中国专利，公开了“可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法”)。这两种加工顺序均包含拉丝制备方法，化学制备方法和物理制备方法。所制备的太赫兹波导主要有以下3点不足：1.拉丝制备对基管材料力学性能和热学性能有很高要求，对设备精度，拉制速度需要严格控制，工艺较为繁琐。2.此类方法制备的太赫兹波导柔性较差，很难实现小半径弯折，并且波导不可拉伸，极大限制其应用范围。3.化学制备方法，实验过程危险，复杂。因此，亟需一种制备方法和材料能同时保证波导柔性与出色的延展性，且制备安全简单，成本低廉。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单模柔性可拉伸太赫兹波导及利用3D打印制备方法。
根据本发明提供的一种利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，包括空芯圆柱波导基管的制备过程和波导反射层的制备过程：
所述空芯圆柱波导基管的制备过程包括如下步骤：
S101，绘制空芯圆柱波导基管结构；
S102，将空芯圆柱波导基管的文件导入3D打印机，打印材料选用聚碳酸酯和橡胶或者硅胶的复合材料；
S103，启动3D打印机，按照坐标文件对空芯圆柱波导基管进行逐片打印；
S104，打印出的空芯圆柱波导基管，先对空芯圆柱波导基管进行清洗，去除打印支撑材料再对空芯圆柱波导基管进行清洗，最后静置干燥；
所述波导反射层的制备过程包括如下步骤：
S201，将PDMS预聚体与固化剂按照重量比5：1-10：1复合，搅拌使其均匀混合，获得PDMS；
S202，将PDMS与高介电常数和高反射率的金属纳米粒子按照重量比5：1-1：5复合，搅拌使其均匀混合，获得PDMS和金属纳米粒子混合物，然后去除气泡；
S203，将空芯圆柱波导基管垂直放置，PDMS和金属纳米粒子匀速注入到空芯圆柱波导基管内部，注射结束后，空芯圆柱波导基管竖直静置；
S204，将空芯圆柱波导基管垂直放入高温固化箱中进行固化，固化完成后单模柔性可拉伸太赫兹波导制备完毕。
可选地，所述聚碳酸酯和橡胶或者硅胶复合重量比为4：1-3：2。
可选地，所述聚碳酸酯和橡胶或者硅胶复合重量比为4：1、3：2或者7：3。
可选地，所述PDMS预聚体和固化剂的重量比5：1、10：1或者8：1。
可选地，所述PDMS和金属纳米粒子重量比为5：1、2：1、1：5或者1：1。
可选地，所述金属纳米粒子为金纳米粒子、银纳米粒子或者铜纳米粒子。
一种单模柔性可拉伸太赫兹波导，包括空芯圆柱波导基管和波导反射层，所述波导反射层涂覆在空芯圆柱波导基管内壁上，所述空芯圆柱波导基管采用聚碳酸酯和橡胶或者硅胶的复合材料，所述聚碳酸酯和橡胶或者硅胶复合重量比为4：1-3：2，所述波导反射层采用PDMS与高介电常数和高反射率的金属纳米粒子的复合材料，所述PDMS由PDMS预聚体和固化剂按照重量比为5：1-10：1复合而成，所述PDMS和金属纳米粒子的重量比为5：1-1：5。
可选地，所述空芯圆柱波导基管的内直径为1-10mm。
可选地，所述单模柔性可拉伸太赫兹波导的传输特性包括单模空间分布与单模频域分布。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导采用多材料3D打印机制备柔性可拉伸太赫兹波导，通过改变打印材料的复合比例，实现对波导柔性，延展性调控，以适应不同应用场景，而且加工过程简单，准确，成本低，无危险。在太赫兹波段有高介电常数和高反射率的金属纳米粒子构成的反射层在太赫兹波段具有很高反射率；PDMS由于出色的柔韧性和延展性，在太赫兹波段透过率达到90％以上，并且可以有效改善打印分辨率造成的波导基管粗糙度的问题；
2、本发明提供的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，PDMS预聚体与固化剂按照重量比5：1-10：1复合，PDMS与金属纳米粒子按照重量比5：1-1：5复合，可以极大提升波导的传输性能，通过优化实验发现，该比例既能实现PDMS固化成功，又能实现波导低损耗的单模传输。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的空芯圆柱波导基管模型图；
图2为本发明提供的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法的流程图；
图3为本发明提供的不同偏压下，长度10cm和20cm单模柔性可拉伸太赫兹波导的传输损耗图；
图4为本发明提供的不同偏压下，单模柔性可拉伸太赫兹波导的实验测得的输出光斑模式分布图，其中图(a)为在3.38A偏压下，图(b)为在3.69A偏压下，图(c)为在3.74A偏压下，图(d)为在3.96A偏压下，图(e)为在4.03A偏压下；
图5为本发明提供的不同偏压下，单模柔性可拉伸太赫兹波导的实验测得的透射光谱图；
图6为现有技术中的空芯圆柱波导中太赫兹辐射反射图；
图7为本发明的空芯圆柱波导中太赫兹辐射反射图；
图8为本发明的实施例7的波导应变与拉应力关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
图2为本发明提供的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法的流程框图，包含空芯圆柱波导基管的制备过程及波导反射层的制备过程；
所述空芯圆柱波导基管的制备过程包括如下步骤：
S101，本实施例中采用Solidworks软件绘制空芯圆柱波导基管1结构，如图1。空芯圆柱波导基管1内直径4mm，空芯圆柱波导基管1的管壁厚度1mm，长度20cm。S102，将空芯圆柱波导基管1的STL格式文件导入3D打印机(打印机分辨率为X轴600dpi；Y轴600dpi；Z轴1600dpi)，本实施例中采用Objet公司的Objet MJP5600，空芯圆柱波导基管1材料为聚碳酸酯和橡胶，聚碳酸酯和橡胶的比例为4：1，实现对波导柔性调控。S103，启动Object MJP56003D打印机，按照坐标文件对空芯圆柱波导基管1进行逐片打印。S104，打印出的空芯圆柱波导基管1，本实施例中是先采用酒精清洗空芯圆柱波导基管1，去除打印支撑材料，然后用去离子水清洗空芯圆柱波导基管1，最后静置干燥。
所述波导反射层2的制备方法包括如下步骤：
S201，将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预聚体与固化剂按照重量比10：1复合，搅拌5min使其均匀混合，获得PDMS，空芯圆柱波导基管1内壁受到3D打印分辨率的影响，表面会比较粗糙，而PDMS涂层是一种有效改善3D打印粗糙度的手段。相比专利(公开号为CN109188606A)介绍，PDMS预聚体和固化剂复合比例为1：5-1：10。本实施例中，PDMS预聚体与固化剂复合比例为10：1。原因在于，PDMS在太赫兹波段透过率可以达到90％以上，但是在PDMS固化过程中，PDMS预聚体和固化剂的复合比例与PDMS对太赫兹的吸收系数有直接联系：固化剂相对含量越多，PDMS涂层对太赫兹吸收越多，波导的传输损耗就会越大，导致波导性能下降。而且固化后的PDMS硬度较高，柔性较差。但是，固化剂含量过低，又不利于PDMS固化。因此，选择合适的PDMS预聚体和固化剂的复合比例可以极大提升波导的传输性能。通过优化实验发现，PDMS预聚体和固化剂的重量复合比例为10：1时，即能实现PDMS固化成功，又能实现波导低损耗的单模传输，并且，此复合比例也比较利于银纳米粒子均匀分散在PDMS悬浮液中。
S202，将PDMS与银纳米粒子按照重量比5：1复合，搅拌30min使其均匀混合，获得PDMS和银纳米粒子混合物，并将其放置在真空干燥箱中30min，去除气泡，我们提出的3D打印单模柔性可拉伸太赫兹波导，工作原理是全反射原理。如果不引入银纳米粒子，当太赫兹穿透PDMS，接触空芯圆柱波导基管内壁时，有很大一部分太赫兹辐射会被空芯圆柱波导基管吸收，只有很少部分会反射回来，如下图6所示。因此，需要引入在太赫兹波段具有高介电常数和高反射率的材料作为太赫兹波导的反射层，由于液相化学沉积制备金属膜，实验过程复杂，危险，所以，我们采用银纳米粒子和PDMS悬浮液混合的方法制备3D打印单模柔性可拉伸太赫兹传导的反射层。如图7所示，由于银在太赫兹波段具有很高的介电常数和反射率，太赫兹辐射穿过PDMS时，会被由银纳米粒子组成的银膜反射回来，实现较低损耗传输。
银纳米粒子与PDMS复合比例同样会影响波导的传输性能。银纳米粒子复合比例过小，会造成银膜不致密，太赫兹从银膜中间穿过，被空芯圆柱波导基管吸收的问题；而银纳米粒子复合比例过大，又会造成银膜表面粗糙，引入额外的散射损耗。通过优化实验发现，银纳米粒子与PDMS复合重量比为1：1时，波导的传输性能最优。
S203，将空芯圆柱波导基管1垂直放置，PDMS和银纳米粒子混合物采用注射器匀速注入到空芯圆柱波导基管1内部，本实施例中，注入速度为10ml/min，时间约为10min，注射结束后，空芯圆柱波导基管1竖直静置12h。
S204，将空芯圆柱波导基管1垂直放入高温固化箱中，固化温度50℃，固化时间为5h，单模柔性可拉伸太赫兹波导制备完毕，如图2。
一种单模柔性可拉伸太赫兹波导，包括空芯圆柱波导基管和波导反射层，所述波导反射层涂覆在空芯圆柱波导基管内壁上，所述空芯圆柱波导基管采用聚碳酸酯和橡胶或者硅胶的复合材料，所述聚碳酸酯和橡胶复合重量比为4：1，所述波导反射层采用PDMS与高介电常数和高反射率的金属纳米粒子的复合材料，所述PDMS由PDMS预聚体和固化剂按照重量比为10：1复合而成，所述PDMS和金属纳米粒子的重量比为5：1。
实施例2
该实施例与实施例1的区别在于，该实施例采用硅胶替代橡胶，采用金纳米粒子代替银纳米粒子。
实施例3
利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，包含空芯圆柱波导基管的制备过程及波导反射层的制备过程；
所述空芯圆柱波导基管的制备过程包括如下步骤：
S101，本实施例中采用Solidworks软件绘制空芯圆柱波导基管1结构，如图1。空芯圆柱波导基管1内直径4mm，空芯圆柱波导基管1的管壁厚度1mm，长度10cm。S102，将空芯圆柱波导基管1的STL格式文件导入3D打印机(打印机分辨率为X轴600dpi；Y轴600dpi；Z轴1600dpi)，本实施例中采用Objet公司的Objet MJP5600，空芯圆柱波导基管1材料为聚碳酸酯和橡胶，聚碳酸酯和橡胶的比例为3：2，实现对波导柔性调控。S103，启动Object MJP56003D打印机，按照坐标文件对空芯圆柱波导基管1进行逐片打印。S104，打印出的空芯圆柱波导基管1，本实施例中是先采用酒精清洗空芯圆柱波导基管1，去除打印支撑材料，然后用去离子水清洗空芯圆柱波导基管1，最后静置干燥。
所述波导反射层2的制备方法包括如下步骤：
S201，将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预聚体与固化剂按照重量比5：1复合，搅拌5min使其均匀混合，获得PDMS，空芯圆柱波导基管1内壁受到3D打印分辨率的影响，表面会比较粗糙，而PDMS涂层是一种有效改善3D打印粗糙度的手段。
S202，将PDMS与银纳米粒子按照重量比2：1复合，搅拌30min使其均匀混合，获得PDMS和银纳米粒子混合物，并将其放置在真空干燥箱中30min，去除气泡，我们提出的3D打印单模柔性可拉伸太赫兹波导，工作原理是全反射原理。如果不引入银纳米粒子，当太赫兹穿透PDMS，接触空芯圆柱波导基管内壁时，有很大一部分太赫兹辐射会被空芯圆柱波导基管吸收，只有很少部分会反射回来，如下图6所示。因此，需要引入在太赫兹波段具有高介电常数和高反射率的材料作为太赫兹波导的反射层，由于液相化学沉积制备金属膜，实验过程复杂，危险，所以，我们采用银纳米粒子和PDMS悬浮液混合的方法制备3D打印单模柔性可拉伸太赫兹传导的反射层。如图7所示，由于银的高反射率，太赫兹辐射穿过PDMS时，会被由银纳米粒子组成的银膜反射回来，实现较低损耗传输。
银纳米粒子与PDMS复合比例同样会影响波导的传输性能。银纳米粒子复合比例过小，会造成银膜不致密，太赫兹从银膜中间穿过，被空芯圆柱波导基管吸收的问题；而银纳米粒子复合比例过大，又会造成银膜表面粗糙，会引入额外的散射损耗。
S203，将空芯圆柱波导基管1垂直放置，PDMS和银纳米粒子混合物采用注射器匀速注入到空芯圆柱波导基管1内部，本实施例中，注入速度为10ml/min，时间约为10min，注射结束后，空芯圆柱波导基管1竖直静置12h。
S204，将空芯圆柱波导基管1垂直放入高温固化箱中，固化温度50℃，固化时间为5h，单模柔性可拉伸太赫兹波导制备完毕，如图2。
一种单模柔性可拉伸太赫兹波导，包括空芯圆柱波导基管和波导反射层，所述波导反射层涂覆在空芯圆柱波导基管内壁上，所述空芯圆柱波导基管采用聚碳酸酯和橡胶或者硅胶的复合材料，所述聚碳酸酯和橡胶复合重量比为3：2，所述波导反射层采用PDMS与高介电常数和高反射率的金属纳米粒子的复合材料，本实施例中指银纳米粒子，所述PDMS由PDMS预聚体和固化剂按照重量比为5：1复合而成，所述用PDMS和金属纳米粒子的重量比为2：1。
实施例4
本实施例和实施例3的区别在于采用硅胶替代橡胶，采用铜纳米粒子代替银纳米粒子。
实施例5
利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，包含空芯圆柱波导基管的制备过程及波导反射层的制备过程；
所述空芯圆柱波导基管的制备过程包括如下步骤：
S101，本实施例中采用Solidworks软件绘制空芯圆柱波导基管1结构，如图1。空芯圆柱波导基管1内直径10mm，空芯圆柱波导基管1的管壁厚度1mm，长度10cm。S102，将空芯圆柱波导基管1的STL格式文件导入3D打印机(打印机分辨率为X轴600dpi；Y轴600dpi；Z轴1600dpi)，本实施例中采用Objet公司的Objet MJP5600，空芯圆柱波导基管1材料为聚碳酸酯和橡胶，聚碳酸酯和橡胶的比例为7：3，实现对波导柔性调控。S103，启动Object MJP56003D打印机，按照坐标文件对空芯圆柱波导基管1进行逐片打印。S104，打印出的空芯圆柱波导基管1，本实施例中是先采用酒精清洗空芯圆柱波导基管1，去除打印支撑材料，然后用去离子水清洗空芯圆柱波导基管1，最后静置干燥。
所述波导反射层2的制备方法包括如下步骤：
S201，将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预聚体与固化剂按照重量比8：1复合，搅拌5min使其均匀混合，获得PDMS，空芯圆柱波导基管1内壁受到3D打印分辨率的影响，表面会比较粗糙，而PDMS涂层是一种有效改善3D打印粗糙度的手段。
S202，将PDMS与银纳米粒子按照重量比1：5复合，搅拌30min使其均匀混合，获得PDMS和银纳米粒子混合物，并将其放置在真空干燥箱中30min，去除气泡，我们提出的3D打印单模柔性可拉伸太赫兹波导，工作原理是全反射原理。如果不引入银纳米粒子，当太赫兹穿透PDMS，接触空芯圆柱波导基管内壁时，有很大一部分太赫兹辐射会被空芯圆柱波导基管吸收，只有很少部分会反射回来，如下图6所示。因此，需要引入在太赫兹波段具有高介电常数和高反射率的材料作为太赫兹波导的反射层，由于液相化学沉积制备金属膜，实验过程复杂，危险，所以，我们采用银纳米粒子和PDMS悬浮液混合的方法制备3D打印柔性可拉伸太赫兹传导的反射层。如图7所示，由于银的高反射率，太赫兹辐射穿过PDMS时，会被由银纳米粒子组成的银膜反射回来，实现较低损耗传输。
银纳米粒子与PDMS复合比例同样会影响波导的传输性能。银纳米粒子复合比例过小，会造成银膜不致密，太赫兹从银膜中间穿过，被空芯圆柱波导基管吸收的问题；而银纳米粒子复合比例过大，又会造成银膜表面粗糙，会引入额外的散射损耗。
S203，将空芯圆柱波导基管1垂直放置，PDMS和银纳米粒子混合物采用注射器匀速注入到空芯圆柱波导基管1内部，本实施例中，注入速度为10ml/min，时间约为10min，注射结束后，空芯圆柱波导基管1竖直静置12h。
S204，将空芯圆柱波导基管1垂直放入高温固化箱中，固化温度50℃，固化时间为5h，单模柔性可拉伸太赫兹波导制备完毕，如图2。
一种单模柔性可拉伸太赫兹波导，包括空芯圆柱波导基管和波导反射层，所述波导反射层涂覆在空芯圆柱波导基管内壁上，所述空芯圆柱波导基管采用聚碳酸酯和橡胶或者硅胶的复合材料，所述聚碳酸酯和橡胶复合重量比为7：3，所述波导反射层采用PDMS与高介电常数和高反射率的金属纳米粒子的复合材料，本实施例中指银纳米粒子，所述PDMS由PDMS预聚体和固化剂按照重量比为8：1复合而成，所述用PDMS和金属纳米粒子的重量比为1：5。
实施例6
本实施例和实施例5的区别在于PDMS和银纳米粒子的重量比为1：1，通过优化实验发现，PDMS和银纳米粒子的重量比为1：1时，波导的传输性能最优。
实施例7
利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，包含空芯圆柱波导基管的制备过程及波导反射层的制备过程；
所述空芯圆柱波导基管的制备过程包括如下步骤：
S101，本实施例中采用Solidworks软件绘制空芯圆柱波导基管1结构，如图1。空芯圆柱波导基管1内直径4mm，空芯圆柱波导基管1的管壁厚度1mm，长度20cm。S102，将空芯圆柱波导基管1的STL格式文件导入3D打印机(打印机分辨率为X轴600dpi；Y轴600dpi；Z轴1600dpi)，本实施例中采用Objet公司的Objet MJP5600，空芯圆柱波导基管1材料为聚碳酸酯和橡胶，聚碳酸酯和橡胶的比例为6：4，实现对波导柔性，延展性调控。S103，启动ObjectMJP5600 3D打印机，按照坐标文件对空芯圆柱波导基管1进行逐片打印。S104，打印出的空芯圆柱波导基管1，本实施例中是先采用酒精清洗空芯圆柱波导基管1，去除打印支撑材料，然后用去离子水清洗空芯圆柱波导基管1，最后静置干燥。
所述波导反射层2的制备方法包括如下步骤：
S201，将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预聚体与固化剂按照重量比10：1复合，搅拌5min使其均匀混合，获得PDMS，空芯圆柱波导基管1内壁受到3D打印分辨率的影响，表面会比较粗糙，而PDMS涂层是一种有效改善3D打印粗糙度的手段。
S202，将PDMS与银纳米粒子按照重量比1：1复合，搅拌30min使其均匀混合，获得PDMS和银纳米粒子混合物，并将其放置在真空干燥箱中30min，去除气泡，我们提出的3D打印单模柔性可拉伸太赫兹波导，工作原理是全反射原理。如果不引入银纳米粒子，当太赫兹穿透PDMS，接触空芯圆柱波导基管内壁时，有很大一部分太赫兹辐射会被空芯圆柱波导基管吸收，只有很少部分会反射回来，如下图6所示。因此，需要引入在太赫兹波段具有高反射率和高介电常数的材料作为太赫兹波导的反射层，由于液相化学沉积制备金属膜，实验过程复杂，危险，所以，我们采用银纳米粒子和PDMS悬浮液混合的方法制备3D打印柔性可拉伸太赫兹传导的反射层。如图7所示，由于银的高折射率，太赫兹辐射穿过PDMS时，会被由银纳米粒子组成的银膜反射回来，实现较低损耗传输。
银纳米粒子与PDMS复合比例同样会影响波导的传输性能。银纳米粒子复合比例过小，会造成银膜不致密，太赫兹从银膜中间穿过，被空芯圆柱波导基管吸收的问题；而银纳米粒子复合比例过大，又会造成银膜表面粗糙，会引入额外的散射损耗。
S203，将空芯圆柱波导基管1垂直放置，PDMS和银纳米粒子混合物采用注射器匀速注入到空芯圆柱波导基管1内部，本实施例中，注入速度为10ml/min，时间约为10min，注射结束后，空芯圆柱波导基管1竖直静置12h。
S204，将空芯圆柱波导基管1垂直放入高温固化箱中，固化温度50℃，固化时间为5h，单模柔性可拉伸太赫兹波导制备完毕，如图2。
一种单模柔性可拉伸太赫兹波导，包括空芯圆柱波导基管和波导反射层，所述波导反射层涂覆在空芯圆柱波导基管内壁上，所述空芯圆柱波导基管采用聚碳酸酯和橡胶或者硅胶的复合材料，所述聚碳酸酯和橡胶复合重量比为6：4，所述波导反射层2采用PDMS和高介电常数和高反射率的金属纳米粒子的复合材料，本实施例中指银纳米粒子，所述PDMS由PDMS预聚体和固化剂按照重量比为10：1复合而成，所述用PDMS和金属纳米粒子的重量比为1：1。
上述实施例中的单模柔性可拉伸太赫兹波导的工作模式均包括单模空间分布和单模频域分布。
采用3D打印技术制备的单模柔性可拉伸太赫兹波导，工作原理为全反射传输。改变波导长度，在不同偏压下，传输损耗未发生明显变化，说明制备方法均匀性良好，如图3所示。
在不同偏压下，长度20cm的太赫兹波导的输出光斑呈现高斯分布，如图4所示。
在不同偏压下，太赫兹传输波导的透射光谱表明波导呈现单模传输，如图5所示。
聚碳酸酯(本实施例中具体采用的材料名称Visijet CR-CL 200)和橡胶(本实施例中具体采用的材料名称Visijet CE-BK)作为空芯圆柱波导基管的原材料。Visijet CR-CL 200聚碳酸酯具有很好的生物相容性和刚性，Visijet CE-BK橡胶具有出色的柔韧性和抗拉强度。通过调控二者的复合比例，可以实现对波导柔性，延展性的调控，以适应不同的应用场景。其中，提高橡胶的复合比例，波导的邵氏硬度越低，柔性，延展性越优。所需材料种类，可根据实际要求选择。
通过测试发现，所获得的长度20cm，内直径4mm的3D打印单模柔性可拉伸太赫兹波导，可以轻松实现从0°到360°弯折，最小弯折半径达到3cm；太赫兹传输波导延展率达到13.66％，在超柔，可穿戴领域有极为广阔的应用前景。
我们截取实施例7制作的单模柔性可拉伸太赫兹波导一段长度，对其延展性进行测试，图8为本发明3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹传输波导应变与拉应力关系图，波导的原始有效长度为1cm，受到设备参数限制，拉伸最大位移值为4mm，对应拉应力为13.7N，可得本发明制备的太赫兹波导延展率达到40％以上。如需延展率更高的波导，则可以通过增加橡胶，硅胶等材料的复合比例来实现。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，其特征在于包括空芯圆柱波导基管的制备过程和波导反射层的制备过程：
所述空芯圆柱波导基管的制备过程包括如下步骤：
S101，绘制空芯圆柱波导基管结构；
S102，将空芯圆柱波导基管的文件导入3D打印机，打印材料选用聚碳酸酯和橡胶或者硅胶的复合材料；
S103，启动3D打印机，按照坐标文件对空芯圆柱波导基管进行逐片打印；
S104，打印出的空芯圆柱波导基管，先对空芯圆柱波导基管进行清洗，去除打印支撑材料再对空芯圆柱波导基管进行清洗，最后静置干燥；
所述波导反射层的制备过程包括如下步骤：
S201，将PDMS预聚体与固化剂按照重量比5：1-10：1复合，搅拌使其均匀混合，获得PDMS；
S202，将PDMS与高介电常数和高反射率的金属纳米粒子按照重量比5：1-1：5复合，搅拌使其均匀混合，获得PDMS和金属纳米粒子混合物，然后去除气泡；
S203，将空芯圆柱波导基管垂直放置，PDMS和金属纳米粒子匀速注入到空芯圆柱波导基管内部，注射结束后，空芯圆柱波导基管竖直静置；
S204，将空芯圆柱波导基管垂直放入高温固化箱中进行固化，固化完成后单模柔性可拉伸太赫兹波导制备完毕。
2.根据权利要求1所述的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，其特征在于，所述聚碳酸酯和橡胶或者硅胶复合重量比为4：1-3：2。
3.根据权利要求2所述的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，其特征在于，所述聚碳酸酯和橡胶或者硅胶复合重量比为4：1、3：2或者7：3。
4.根据权利要求1所述的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，其特征在于，所述PDMS预聚体和固化剂的重量比5：1、10：1或者8：1。
5.根据权利要求1所述的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，其特征在于，所述PDMS和金属纳米粒子重量比为5：1、2：1、1：5或者1：1。
6.根据权利要求5所述的利用3D打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法，其特征在于，所述金属纳米粒子为金纳米粒子、银纳米粒子或者铜纳米粒子。
7.一种单模柔性可拉伸太赫兹波导，包括空芯圆柱波导基管和波导反射层，所述波导反射层涂覆在空芯圆柱波导基管内壁上，其特征在于，所述空芯圆柱波导基管采用聚碳酸酯和橡胶或者硅胶的复合材料，所述聚碳酸酯和橡胶或者硅胶复合重量比为4：1-3：2，所述波导反射层采用PDMS与高介电常数和高反射率的金属纳米粒子的复合材料，所述PDMS由PDMS预聚体和固化剂按照重量比为5：1-10：1复合而成，所述PDMS和金属纳米粒子的重量比为5：1-1：5。
8.根据权利要求7所述的单模柔性可拉伸太赫兹波导，其特征在于，所述空芯圆柱波导基管的内直径为1-10mm。
9.根据权利要求7所述的单模柔性可拉伸太赫兹波导，其特征在于，所述单模柔性可拉伸太赫兹波导可实现太赫兹波包括单模空间分布与单模频域分布的传输特性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110704572.8A CN113422188B (zh) | 2021-06-24 | 2021-06-24 | 利用3d打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110704572.8A CN113422188B (zh) | 2021-06-24 | 2021-06-24 | 利用3d打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113422188A true CN113422188A (zh) | 2021-09-21 |
| CN113422188B CN113422188B (zh) | 2022-04-15 |
Family
ID=77716779
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110704572.8A Active CN113422188B (zh) | 2021-06-24 | 2021-06-24 | 利用3d打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113422188B (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005085766A2 (en) * | 2004-03-01 | 2005-09-15 | University Of Washington Techtransfer Invention Licensing | Polymer based distributive waveguide sensor for pressure and shear measurement |
| US20110103762A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | Kun-Yi Lee | Optical filters based on polymer asymmetric bragg couplers and its method of fabrication |
| CN105408104A (zh) * | 2013-05-02 | 2016-03-16 | Tbf有限公司 | 包含树状聚合物封装的纳米颗粒的封装阻隔叠层 |
| CN105593234A (zh) * | 2013-08-14 | 2016-05-18 | 道康宁东丽株式会社 | 新型有机聚硅氧烷、包含其的表面处理剂、包含其的树脂组合物，以及它们的凝胶状产物或固化产物 |
| US20170146453A1 (en) * | 2014-08-06 | 2017-05-25 | University Of Massachusetts | Single channel terahertz endoscopy |
| CN108139665A (zh) * | 2015-12-22 | 2018-06-08 | 卡本有限公司 | 用于用双重固化树脂的增材制造的双重前体树脂系统 |
| CN110114419A (zh) * | 2016-12-29 | 2019-08-09 | 3M创新有限公司 | 柔性纳米颗粒光学涂料组合物 |
| CN111158083A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-15 | 华东师范大学 | 可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法 |
| CN111282130A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-16 | 上海交通大学医学院附属瑞金医院 | 一种可固定带孔胰管内置管 |
| CN111430865A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-07-17 | 安方高科电磁安全技术(北京)有限公司 | 一种基于ptfe材料的太赫兹软波导管及其成型方法 |
-
2021
- 2021-06-24 CN CN202110704572.8A patent/CN113422188B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005085766A2 (en) * | 2004-03-01 | 2005-09-15 | University Of Washington Techtransfer Invention Licensing | Polymer based distributive waveguide sensor for pressure and shear measurement |
| US20110103762A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | Kun-Yi Lee | Optical filters based on polymer asymmetric bragg couplers and its method of fabrication |
| CN105408104A (zh) * | 2013-05-02 | 2016-03-16 | Tbf有限公司 | 包含树状聚合物封装的纳米颗粒的封装阻隔叠层 |
| CN105593234A (zh) * | 2013-08-14 | 2016-05-18 | 道康宁东丽株式会社 | 新型有机聚硅氧烷、包含其的表面处理剂、包含其的树脂组合物，以及它们的凝胶状产物或固化产物 |
| US20170146453A1 (en) * | 2014-08-06 | 2017-05-25 | University Of Massachusetts | Single channel terahertz endoscopy |
| CN108139665A (zh) * | 2015-12-22 | 2018-06-08 | 卡本有限公司 | 用于用双重固化树脂的增材制造的双重前体树脂系统 |
| CN110114419A (zh) * | 2016-12-29 | 2019-08-09 | 3M创新有限公司 | 柔性纳米颗粒光学涂料组合物 |
| CN111158083A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-15 | 华东师范大学 | 可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法 |
| CN111282130A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-16 | 上海交通大学医学院附属瑞金医院 | 一种可固定带孔胰管内置管 |
| CN111430865A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-07-17 | 安方高科电磁安全技术(北京)有限公司 | 一种基于ptfe材料的太赫兹软波导管及其成型方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113422188B (zh) | 2022-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6810184B2 (en) | Device and method to scatter optical fiber output | |
| EP0600985A1 (en) | PLATED OPTICAL FIBERS WITH HIGH DIGITAL OPENING AND LOW LOSSES. | |
| EP0425305B1 (en) | Radiation curable cladding compositions | |
| Alsweefe et al. | Efficient humidity sensor based on an etched no-core fiber coated with copper oxide nanoparticles | |
| AU2019222813A1 (en) | Boron nitride nanotube coated optical waveguide and uses thereof | |
| CN113422188B (zh) | 利用3d打印制备单模柔性可拉伸太赫兹波导的方法及波导 | |
| US20200174180A1 (en) | Glass-based terahertz optical waveguides and methods of forming same | |
| JP3444352B2 (ja) | 光伝送路の製造方法 | |
| Zhong et al. | Effect of heat treatments on the performance of polymer optical fiber sensor | |
| Cruz et al. | Exploring THz hollow-core fiber designs manufactured by 3D printing | |
| Zhuo et al. | Projection-suspended stereolithography 3D printing for low-loss optical hydrogel fiber fabrication | |
| JP2011085854A (ja) | プラスチッククラッド光ファイバ心線および光ファイバケーブル | |
| US8634687B2 (en) | Coated plastic cladding optical fiber and optical fiber cable | |
| CN106497389B (zh) | 一种石墨烯双层光纤涂料及其制备方法和应用 | |
| Shin et al. | Low-loss, high-bandwidth graded-index plastic optical fiber fabricated by the centrifugal deposition method | |
| CA1219413A (en) | Image-transmitting synthetic resin rod and process for producing the same | |
| CN113138433B (zh) | 加硬减反射柔性光学膜、加硬涂液、减反射涂液以及制备方法和应用 | |
| Waterman | Scattering, absorption, and extinction by thin fibers | |
| Langner et al. | Plasma outside deposition (POD) of fluorine doped silica for high-power laser applications | |
| EP2952941A1 (en) | Optical fiber and method for producing same | |
| Iwai et al. | Silver hollow optical fibers with acrylic silicone resin coating as buffer layer for sturdy structure | |
| Kong et al. | Effects of a UV absorber in silica-loaded resin on DLP silica fiber preform fabrication | |
| Liu et al. | Fibre optic chemical sensor based on graphene oxide-coated long period grating | |
| Tan et al. | Study on the surface plasmon polarizations in nonuniform plasma | |
| EP0575408B1 (en) | A waveguide sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |