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摘要：利用将硅微粒分散于树脂中的三维块状超材料，开发出一种无需改变透镜形状即可控制焦距的太赫兹透镜，证实通过在0～25％的范围内改变硅颗粒浓度来调节折射率，可以使焦距从大约33mm变为大约24mm。

关键词：三维块状超材料、太赫兹透镜、硅微粒、焦距、6G

要点

利用将硅微粒分散于树脂中的三维块状超材料，开发出一种无需改变透镜形状即可控制焦距的太赫兹透镜。
研究证实，通过在0～25％的范围内改变硅颗粒浓度来调节折射率，可以使焦距从大约33mm变为大约24mm。
该透镜有望应用于第六代移动通信系统（6G）、无损检测、医疗诊断、安全检测等领域。

概要

太赫兹波作为下一代移动通信系统（6G）的候选频段备受关注，并有望用于无损检测、医疗诊断等领域。然而，该频段可用的光学材料有限，在设计透镜等光学元件时自由度较低，成为亟待解决的课题。

研究小组利用将硅微粒分散于树脂中的三维块状超材料，开发出一种太赫兹透镜。

通常情况下，透镜的焦距由其形状决定，本研究表明，通过材料设计控制折射率，无需改变透镜形状即可调节焦距。具体而言，研究证实，通过将硅颗粒浓度在0～25%范围内改变，可使焦距从大约33mm变为大约24mm。

研究背景

太赫兹波是介于无线电波与光波之间、频段为0.1～10THz的电磁波，由于太赫兹波具有穿透多种材料的特性，因此有望在无损检测、医学诊断和光谱分析等众多领域得到应用。近年来，0.1～0.4THz频段作为下一代通信（6G）的候选频段备受关注。

然而，在太赫兹区域，存在一项挑战，即由于可用的光学材料种类很少，折射率的选择范围也有限，因此在设计透镜、棱镜等光学元件时自由度较低。

研究小组此前一直致力于研究三维块状超材料，将其作为能够控制太赫兹波折射率的人工光学材料。本次研究进一步发展了该技术，制造出太赫兹透镜作为实际光学元件，并验证了其性能。

研究内容

本研究旨在实现一种无需改变透镜形状即可控制焦距的太赫兹透镜，利用将硅微粒分散于透明树脂（COP）中的材料制造了该透镜。硅是一种在太赫兹波段具有高透射率和高折射率的材料，通过将其制成微粒分散在树脂中，可以调节整个复合材料的折射率。

图1为本研究中使用的三维块状超材料太赫兹透镜的概念图。材料的有效折射率（n_eff）由分散在透明树脂中的硅微粒决定。此外，通过改变硅颗粒的浓度，可以调节材料的折射率，因此无需改变透镜形状即可控制焦距。

图1. 由三维块状超材料制成的太赫兹透镜的概念图

(a)由硅微粒分散于透明树脂中的三维块状超材料制成的太赫兹透镜的概念图；(b)硅微粒分散材料的有效介质模型。

该透镜的形成方法是将硅微粒和透明树脂粉末按预定比例混合，将混合物填充到模具中，然后仅加热和熔化COP。通过分步投料并加热，避免内部产生气泡，从而实现了硅微粒均匀分散的复合材料结构。利用这种方法，研究小组制造了一种折射率随硅颗粒浓度变化的三维块状超材料透镜。

本研究使用形状相同的透镜，通过改变硅颗粒的体积浓度实现了对折射率的控制。

具体而言，研究小组制造了颗粒浓度分别为0%、5%和25%的三种透镜。图2为实际制造的太赫兹透镜的外观。其外观因硅颗粒浓度不同而有所差异，但形状均相同。

图2. 所制造的太赫兹透镜

（a）由0%的硅颗粒浓度（仅由透明树脂构成）制造的太赫兹透镜；（b）由5%的硅颗粒浓度制造的太赫兹透镜；（c）由25%的硅颗粒浓度制造的太赫兹透镜。

研究小组在太赫兹频率（0.10THz和0.15THz）下测量了所制透镜的焦距。结果证实，焦距随着硅颗粒浓度的增加而减小。例如，在0.10THz频率下，颗粒浓度为0%的透镜焦距约为33mm，5%的透镜焦距约为31mm，而25%的透镜焦距约为24mm。这些实验结果表明，无需改变透镜形状，仅通过材料设计即可控制焦距。

本研究结果表明，可以通过设计材料成分来调节太赫兹光学元件的特性，这表明在太赫兹区域设计新型光学材料和光学元件是可能的。

未来展望

本次开发的材料在太赫兹波段可实现约1.5～2.0的宽折射率范围。此外，由于折射率可通过调节颗粒浓度来控制，因此可以使用相同的工艺制造具有不同光学特性的材料。

未来，除了本研究中证实的太赫兹透镜外，这一思路还有望应用于各种太赫兹光学元件，例如太赫兹光谱棱镜和光学薄膜。

此外，太赫兹波有望应用于机场危险品检测、医疗诊断和半导体检测等领域，本研究成果有望推动这些太赫兹应用技术的发展。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20260319_03web_lenses.pdf

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.115096

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