3D-печатные терагерцевые линзы позволят выявлять опухоли и взрывчатые вещества

Исследователи из Северо-Западного университета штата Иллинойс использовали 3D-печать для создания линзы, улавливающей волны в терагерцевом диапазоне – на границе между инфракрасным и микроволновым излучением.Диапазон терагерцевого излучения не имеет четкого значения, но обычно определяется в пределах 300ГГц и 3ТГц. Это соответствует волнам длиной 1-0,1мм, в связи с чем используется альтернативное название – «субмиллиметровое излучение». Свойства субмиллиметровых волн остаются малоизученными, хотя имеющиеся результаты исследований говорят о высоком потенциале терагерцевых излучателей в системах безопасности и контроля качества, диагностической медицине, строительстве и электронике. Рассматривается и возможность создания высокоскоростных терагерцевых систем связи.

С целью проведения дополнительных исследований ученые использовали 3D-печать для изготовления специальной линзы из метаматериалов. «Обычные линзы – даже продвинутые варианты – состоят из нескольких компонентов для компенсации неизбежных дефектов», – рассказывет Чэн Сун, декан факультета машиностроения Инженерной школы Маккормика при Северо-Западном университете. «Иногда в современных системах обработки изображений для получения оптимальной картинки накладывают несколько линз друг на друга, но это очень сложно и дорого».

Как сообщает 3ders.org, Сун и его команда выбрали более простой и эффективный путь, создав градиентную оптическую систему с переменным показателем преломления, позволяющую получать идеальные изображения без необходимости в дополнительных корректирующих компонентах. В теории это звучит достаточно просто, но на деле стало возможным только благодаря новаторскому метаматериалу с весьма необычными свойствами. «Характеристики определяются микроструктурой меньшего размера, чем длина терагерцевого излучения», – поясняет Фан Чжоу, сотрудник лаборатории и один из авторов исследования. «Выстраивая эти крошечные структуры в определенном порядке, мы можем создавать необходимый градиент преломления».Для работы с метаматериалом ученые использовали 3D-принтер, работающий по технологии проекционной микростереолитографии. Результатом стала линза, способная улавливать излучение в субмиллиметровом диапазоне. «Для печати мы использовали жидкий фотополимер, превращающийся в твердый материал под воздействием света. Материал принимает форму проецируемого изображения, что позволяет нам формировать трехмерный объект. Добиться необходимого градиента с помощью традиционных методов производства было бы невозможно», – рассказывает Чэн Сун.

Технология 3D-печати градиентной оптики обещает сделать обработку изображений в терагерцевом диапазоне более эффективной и дешевой, а это может оказать серьезное влияние на развитие систем безопасности и медицинской диагностики. Так, с помощью субмиллиметровых волн можно выявлять скрытые пластики и химикаты, что делает возможным борьбу с взрывчатыми веществами, неразличимыми с помощью рентгеновских сканеров. Кроме того, терагерцевое излучение, в отличие от рентгеновского, абсолютно безвредно, что делает его заманчивым для применения в медицинских исследованиях. В частности, достаточно высокое проникающее действие позволит проверять пациентов на наличие опухолей. «Этот достижение означает, что у нас появится возможность получать ранее недоступную информацию о свойствах непрозрачных материалов в высоком разрешении», – считает ученый из Университета штата Оклахома Вей Цао, занимающийся совместными исследованиями с командой Суна. «Результатом станет новая методика спектрографии, имеющая огромный диапазон применения – от биомедицинских исследований до обеспечения безопасности».

Доклад под названием «Аддитивное производство трехмерной градиентной оптики» опубликован в журнале Advanced Optical Materials. Аналогичные исследования проводились в прошлом году командой ученых из Научно-технологического университета Хуажонг.