2025年12月25日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的研究人员已经开发出一种3D打印的微型螺旋结构，可作为太赫兹 (THz) 频率的光学材料，这是一种解决下一代电信、无损评估、化学/生物传感等领域技术差距的潜在方法。打印的微尺度螺旋结构能够可靠地产生太赫兹波段的圆偏振光束，并且当排列成特定图案阵列时（如二维码），可作为一种新型快速响应（QR）芯片用于高级加密/解密。
△劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）研究人员制作的3D打印螺旋阵列的扫描电子显微镜图像。
项目研究成果以题为“Helical Photonic Metamaterialsfor Encrypted
Chiral
Holograms”的论文发表在《先进科学》（AdvancedScience）杂志上，首次对太赫兹频率的螺旋结构进行了完整的参数分析，并展示了3D打印技术在制造太赫兹器件方面的潜力。项目其他合作作者包括劳伦斯利弗莫尔国家实验室的
Widi Moestopo、Songyun Gu、Jae-Hyuck Yoo 和 Michael Armstrong，以及韩国加川大学的
Taeil Lee 教授。
光固化3D打印太赫兹材料
电磁波谱中的太赫兹频段是5G/6G通信的基石，也是一种潜在的非电离辐射，可替代X射线和伽马射线，此外，它还能探测到其他波长无法探测到的化学和生物特征。然而，由于太赫兹频率过高，电子器件难以实现，而其波长又过长，光子学难以应用，因此像波片和相机这样的常用光学元件难以实现。在这项研究中，研究团队着重解决了其中一个难题：利用四分之一波片产生圆偏振光束。
领导项目的材料科学部科学家兼劳伦斯研究员崔元镇（Wonjin Choi）说道：“利用优化的几何形状，超材料是产生太赫兹频率范围内圆偏振光束的最有效方法，因为目前还没有适用于如此长电磁波长的光学晶体。”
圆偏振光束会像螺旋楼梯一样沿右旋或左旋方向扭转，从而赋予其一种被称为手性的“旋向”特性。手性是氨基酸、DNA
和蛋白质等生物分子的基本属性，利用手性光束研究其分子振动可以揭示有关结构、组成和生物活性的关键信息。太赫兹波段极大地增强了这种能力，使得研究更大的原子团并探测由长程有序和二级键网络引起的振动成为可能。这有助于快速识别或表征疾病以及潜在的危险物质，例如药物和爆炸物。
产生圆偏振光束需要使用手性结构作为四分之一波片，这种结构会在波的电场两个正交分量之间引入90度的相位差。此前，制备太赫兹手性结构的尝试都存在透射率和频率范围受限的问题，但该团队看到了利用双光子聚合（2PP）——一种超高分辨率的光基3D打印技术——制造出更优化结构的契机。
“太赫兹频率的波长在 300 µm 左右，是双光子聚合 (2PP) 的理想波长范围，因此我们可以轻松地在该长度尺度上创建任何几何形状，并对其进行很好的控制，”材料工程部 (MED) 工程师夏晓星说道，他领导了该项目的打印工作。
△用于太赫兹光子超材料的螺旋线和螺旋阵列示意图。
双光子聚合工艺优势
由于2PP技术可以灵活地打印几乎任何形状，团队将重点放在了优化螺旋结构上。螺旋结构的设计难度较高，因为需要考虑诸多变量，例如圈数、半径、高度和旋向，但其固有的圆形几何形状使其成为产生强圆偏振的理想选择。崔教授表示：“诱导手性最直观、最有效的方法之一就是构建螺旋结构。我们通过模拟近乎完美地优化了这些参数，然后精确地3D打印出这些结构，从而实现了所需的功能。”
打印的螺旋结构在太赫兹波段展现出强大的宽带活性，并且几乎可以在任何方位角可靠地产生圆偏振光束。研究团队还发现，单个螺旋结构具有明显的左旋或右旋信号，并且将它们排列成阵列会产生耦合效应，增强两种类型的响应。这一发现启发了世界上第一个“手性二维码”的诞生。
崔教授说道：“我意识到，如果我们把黑色像素设为右旋，白色像素设为左旋，就可以实现像素化。典型的二维码以二进制振幅或亮度编码信息，但这个二维码则以与左旋和右旋偏振旋转同步的方式进行编码。”
△研究团队研发出全球首个“手性”二维码，采用左旋和右旋印刷螺旋线作为黑白像素。手性二维码兼具便捷性和安全性
这种手性二维码由打印的螺旋阵列构成，只有通过特殊的“手性”滤光片才能读取其信息。该滤光片必须具有正确的极化特性，且电磁频率也必须符合要求。因此，在敏感环境中，它可以被隐藏，也可以作为重要的安全保障。崔教授说：“对于医院、银行或军事用途，有时我们可能需要在保持快速扫描便利性的同时添加加密功能。”
新的应用场景
对夏教授的团队来说，这项研究提供了一个测试其创新并行打印技术的机会。该技术利用一种名为超透镜的新型光学材料，将激光束紧密聚焦，实现直接双光子聚合（2PP）打印。大型超透镜阵列可以同时生成超过10万个焦点，从而构建一条3D打印流水线。此外，该阵列还可以通过开关控制打印路径，显著加快复杂、层叠和非周期性结构的打印速度。夏说道：“由于我们能够主动控制焦点，因此我们可以选择性地在不同位置打印不同手性的螺旋结构。用商用打印机打印需要很长时间，但我们的并行打印机确实提高了吞吐量，使这项应用成为现实。”
这种螺旋结构的潜在应用包括手性分子传感、5G/6G通信的带通滤波，以及在医学、生物学、天文学等领域的检测和传感。该研究还展示了将高通量3D打印与材料科学和优化相结合，以创造能够充分发挥太赫兹频率潜力的新型太赫兹技术的潜力。
来源：南极熊
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