微纳3D打印太赫兹器件

近年来，太赫兹（Terahertz, THz）技术正成为一个备受瞩目的前沿交叉领域，其频率介于微波与红外线之间（0.1~10THz），兼具光与电的特性，具有超强穿透性、高频带宽和非电离性等优点，在通信、成像、光谱、安检、生物医学、半导体检测等领域展现出广阔前景，也为技术创新、国家安全以及经济发展带来了全新机遇。

它之所以受到广泛关注，主要有两个原因：首先，许多物质在太赫兹波段的“指纹”特征非常明显，就像每个人都有独一无二的指纹一样，太赫兹波可以揭示物质内部的结构、组成甚至状态变化，是研究材料、药物和生物组织等的理想工具。其次，与传统光源相比，太赫兹脉冲光源拥有许多独特优势，比如超快响应速度、高分辨率、非破坏性等，使它在成像、检测和通信等方面展现出巨大潜力。正因为如此，太赫兹技术被认为是未来信息技术与智能制造的重要突破口。

然而，太赫兹技术的发展仍面临着核心器件制造困难、结构设计复杂、性能提升受限等瓶颈。此时，微纳尺度的3D打印技术，特别是基于光固化高精度微纳3D打印技术，正为太赫兹领域的科学研究和产业转化注入全新动能。

01超宽带无色差超分辨广角太赫兹成像透镜

鉴于太赫兹信号的高穿透性和非电离特性，其在生物医学成像，生物传感，无损检测等领域具备广阔的应用前景，如早期癌症组织的识别和观测，特定化学成分的鉴定，复合材料中微裂纹和空气泡的检测，已有众多学者和企业投身于相关领域的研发工作中。但是太赫兹成像系统长期以来受制于传统介质透镜的强色差，强球差和低分辨率等问题，导致成像质量与实际应用需求之间仍有较大差距。尤其是对于0.3 THz以上的成像系统，急需研发出超分辨率成像系统的解决方案。

基于上述需求，香港城市大学太赫兹与毫米波国家重点实验室成功研制了超宽带无色差超分辨广角太赫兹成像透镜，并在生物成像和无损检测方面做出了应用示范。该研究创造性地提出并设计了径向梯度周期性超材料，以实现超高工作带宽下的超分辨率成像，并同时消除色差与彗差。

实验所需太赫兹透镜是由复杂且精密的径向梯度周期性超材料结构构成，故采用

摩方精密超高精度微纳3D打印系统：microArch? S230 (精度:2 μm) 进行制备。

图：微纳3D打印的超宽带超分辨无色差广角太赫兹成像透镜。

在本项研究中研发的超宽带无色差超分辨广角太赫兹成像透镜，首次在0.2到0.9THz的超宽带范围内，实现了数值孔径0.555的无色差超分辨聚焦，90度的大视场角，并能对间距0.2mm的目标实现高分辨的识别。该项成果极大的推进了太赫兹成像技术的发展，突破了消色差透镜系统复杂，分辨率低，大数值孔径与大工作带宽不可兼容，消色差与消彗差不可兼容等技术难题。为新一代紧凑可集成的太赫兹成像系统的研发提供了全新的技术路径。

02 基于PμSL技术面向6G的非制冷蝴蝶结阵列光增强太赫兹探测器

面向6G技术的高灵敏度太赫兹探测技术在国防安全、遥感遥测、空间通信、大气监测、生化传感、光谱分析等领域有着广泛的应用前景和市场需求。如何在常温下单位面积内实现对低功率密度空间结构太赫兹信号的高灵敏响应及时频探测，一直是本领域内的前沿研究热点之一。然而，太赫兹器件生产中存在的如高精度、低成本、可控、批量生产等问题迫切需要解决。

聊城大学的张丙元教授、宋琦副教授团队联合厦门理工学院林洪沂副教授设计了一种3D蝴蝶结结构阵列覆盖外尔半金属薄膜的太赫兹波探测器，并实现了外加光场增强其性能。

为实现微结构阵列高精度、低成本制备，团队采用摩方精密创新PμSL技术，借助nanoArch? S130（精度：2 μm )超高精度微纳3D打印设备完成制备，并在器件上制备高质量外尔半金属薄膜，获得具有高灵敏度、低等效噪声功率和有效探测面积大的太赫兹波探测器。该制备方法成功解决了非制冷高灵敏度大面积的太赫兹探测器灵敏度可由外场增强的问题，进一步验证了面投影微立体光刻（PμSL）技术用于制备6G波段的非制冷高性能太赫兹探测器的可行性。

图：微纳3D打印设备的图像. L1 = 0.188 mm，L2 = 0.020 mm.

本项研究，利用新型结构设计-非微腔蝴蝶结结构来平衡检测效率和响应时间。这种结构在所有三个空间轴向上都保持亚波长阵列，通过消除z轴方向的微腔结构来提高载流子传输速率进一步提升其响应时间。通过使用超高精度的3D打印技术（PμSL）来制造微结构，这种技术具有高分辨率、高复制性，适用于制造复杂的三维微纳米结构。在外部激光场刺激下，探测器的响应时间从980毫秒显著降低到50毫秒，显示出快速的响应能力。

该项研究为高性能太赫兹探测器的设计和制造提供了新的思路，特别是在6G通信和太赫兹雷达等高频应用领域的潜在应用。最为重要的是，面投影微立体光刻（PμSL）技术是一项可靠、低成本、可重复的高效率加工方法，对6G器件的研究和发展起到了积极的推动作用。

03 3D打印太赫兹Anapole超生物传感器用于分子振动传感

在现代生物传感技术中，太赫兹（THz）光谱因其独特的低能量、非侵入性和非电离特性，逐渐成为生物医学领域的重要工具。传统的太赫兹超表面生物传感器往往依赖于折射率频移，无法充分利用分子的振动指纹特性，因此在混合物检测中存在固有限制。相对于折射率传感，分子振动指纹传感是具有特异性的，这使得它非常适合于混合物的传感。

西安交通大学张留洋教授团队提出了一种基于Anapole模式的太赫兹超表面生物传感器，利用过耦合的超表面谐振模式与分子振动模式相互作用产生的电磁诱导吸收（EIA）效应，成功实现了对糖类、氨基酸等生物小分子的高灵敏度特异性检测。此外，在机器学习算法的辅助下，所设计的生物传感器实现了对五种不同类别分子的识别。这项研究的成果为无标记生物检测提供了新的思路，在复杂混合生物样本分析中展现出广阔的应用潜力。

传感器采用了立体的金属—介质—金属三明治结构。相比于传统平面结构，立体结构能够提供更大的太赫兹与物质相互作用空间，从而提高传感灵敏度。在器件制备方面，研究团队采用摩方精密超高精度微纳3D打印技术：nanoArch? S130，精度：2 μm）实现了立体器件的高精度制备，相比于传统光刻工艺，极大简化了制备复杂性，显著降低了制备成本，为太赫兹传感器件的高效、低成本制备提供了新的思路。

图. 太赫兹Anapole超生物传感器设计、制备及应用。

当前，全球多个高校和研究机构已将微纳3D打印作为太赫兹科研实验的关键设备。摩方精密提供多型号高精度平台（如microArch? S230A、S240A、D0210等），支持微纳尺度结构打印，并兼容多种太赫兹应用常用材料（如陶瓷、树脂、功能复合材料等）。其配套软件还支持复杂结构的参数建模与快速迭代，为科研人员提供更便捷的实验流程与开发效率。

随着6G通信推进、安检设备智能化升级、精准医学兴起，太赫兹技术的产业化正在加速。而在这一过程中，微纳3D打印将不仅仅是一个“制造工具”，更将成为器件创新、结构设计、功能材料探索三位一体的“加速器”。