► 文 观察者网心智观察所 

中国科学家，日前实现了前所未有的太赫兹超材料制造技术革新，有望颠覆6G关键元器件的成本体系，大大加速产业化进程。

太赫兹波，在电磁频谱中位于微波和红外线之间的部分，频率范围介于0.1-10THz，具有极为独特的物理特性，在安全检测等诸多领域具有广阔应用前景，特别是其特性可支持超高速无线通信，理论带宽高达数百Gbps乃至Tbps，被公认为未来6G通信的核心技术支柱。

然而，由于天然材料在这一波段电磁响应较弱，难以有效产生太赫兹波，因此具有人工制造亚波长尺寸周期性排列谐振单元的材料，即所谓电磁超材料（Metamaterials），就成为太赫兹功能器件如天线、滤波器研究与应用的基石，通过合理设计谐振单元形状、尺寸及空间排布方式，可以大幅度提高电磁响应的多样性，有力促进了太赫兹技术的快速发展。

然而，电磁超材料的制造长期以来需要依赖于传统微纳米加工技术，其制备工艺包括光刻技术、电子束曝光、深硅刻蚀和磁控溅射等，虽然在精度上可以满足要求，但工艺流程、生产效率和制造成本均难以满足大规模应用要求，并且这种加工方式往往需要采用衬底为激发表面提供支撑，附加的介电损耗会衰减太赫兹波的响应强度， 无法充分发挥材料性能。

心智观察所注意到，针对这一重大技术瓶颈，福州大学教授、福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室主任钟舜聪带领的研究团队近日取得了技术突破，有望深刻重塑未来通信和探测领域产业格局。

他们破解难题的杀手锏，是飞秒激光。

顾名思义，飞秒激光就是脉冲宽度为几飞秒到几百飞秒的激光，与连续激光和长脉冲激光相比，具有超短脉冲宽度及极高的峰值功率。随着超快激光技术的发展，飞秒激光直写技术在微纳结构加工领域已有广泛应用，具有系统简单、工序少、成本低的显著优点。

根据该团队在最新一期《机械工程学报》发表的论文，研究人员采用10微米厚的金属铝薄膜作为超材料基底，其柔韧性和导电性完美满足了柔性器件的应用需求。通过精确控制飞秒激光束在铝薄膜表面的扫描路径和能量输出，成功地在10微米厚铝薄膜上实现对THz柔性超材料一次成型加工，研究人员还进一步结合金属薄膜无基底效应的谐振特点，设计了一种混合结构，能够激发多模式强耦合效应，更有效调制太赫兹波在超材料中的透射响应。

凭借无掩膜、快速成型及高穿透性的烧蚀特点，飞秒激光直写避开了传统的复杂微加工工艺，有望革命性降低电磁超材料制备成本和时间。

根据论文介绍，该技术的核心思路在于飞秒激光直写技术的精准应用。由于脉冲时间极短，飞秒激光烧蚀加工时产生的热影响区域非常小，因此可以实现"冷加工"。此外，飞秒激光在空间上呈高斯分布，研究人员通过调节激光的脉冲能量，使中心区域很小一部分达到多光子吸收或烧蚀阈值，而保留其余部分不发生材料去除，从而实现高精度加工。

研究团队设计了一套完整的光路系统，采用中心波长为800纳米的飞秒激光作为加工光源，脉冲宽度和重复频率分别为45飞秒和1千赫兹。通过调整光阑大小来控制光束直径，同时利用半波片和格兰棱镜精确调节激光脉冲能量，从而获得恰好能达到烧蚀阈值的激光功率，确保达到最佳烧蚀效果。计算机控制的电子快门可以控制激光光束的通断，实现不连续结构的精确加工。

为了确保加工精度，使聚焦后的激光光斑足够小，同时又避免物镜镜头离样品表面过近，加工碎屑污染镜头，研究人员采用了一套50倍聚焦物镜，工作距离为3毫米，NA值为0.5，并引入了由CCD相机、同轴光源及远心镜头组成的实时检测系统，实现对激光聚焦点的精准定位和监控。

在样品移动方面，团队使用市售三轴直线位移平台系统，该平台在160毫米行程内提供纳米级定位性能，位移分辨率在1-2纳米之间，定位重复性偏差仅为25-35纳米，确保了微米级的加工精度。

最终，研究人员将10微米厚的金属铝薄膜平整粘贴在中心镂空的样品保持架上并放置于位移平台。通过调整激光焦点和能量达到约150毫瓦，精确控制位移平台以200微米/秒的速度按照特定路径移动，在铝薄膜上成功刻画出了所设计的超材料结构，制备了独立无衬底的柔性超材料。

加工完成后的光学显微观察显示，样品激光烧穿的矩形孔边缘平滑，结构完整，表面碎屑和重铸层很少，表明加工质量良好，飞秒激光能够精确制造出所需尺寸的超材料单元结构，并且与传统的光刻技术相比无需使用多个不同尺寸的掩膜板，既简化了材料的加工步骤又缩短了制备周期。虽然飞秒激光直写技术的精度在微米及亚微米级别逊于传统微纳加工工艺，但完全能够满足太赫兹超材料几十至几百微米的加工精度要求。

将这些制备后的样品进行测试还发现，与传统的硅基微加工工艺相比，这种方法制备的超材料无需硬质硅基支撑，能够作为独立结构进行多次拆卸、变形及拓展，适用于各种复杂多变的曲面环境，极大地满足了太赫兹柔性器件的实际工程应用需求。

研究团队通过飞秒激光直写技术的"冷加工"特点，实现了太赫兹柔性金属超材料的一次成型加工，成功克服了传统硅基微加工方法中掩膜难、成形慢及高厚度等限制，并且无衬底结构避免了基底效应的影响。由于金属薄膜本身具有高柔韧性、高腐蚀性和耐热性，基于飞秒激光烧蚀加工的金属超材料在柔性太赫兹器件领域展现出巨大的应用潜力。同时，多共振模式之间的强耦合效应和混合结构设计改善了纯金属超材料低Q值等问题，为太赫兹器件在传感检测和峰值调制方面提供了可移植性的制备方案和设计思路。

总体而言，这一突破性技术有望大幅降低未来6G通信关键元器件的制造成本，对推动太赫兹技术在通信等领域的实际应用具有重要意义，6G通信的实用化进程，或许将就此获得新的加速度。