高通量3D打印“手性QR码”或撬动快速检测与高级加密应用新纪元

太赫兹成像正从实验室走向产业化，其非破坏性、高分辨率、化学特异性和生物安全性四大优势，使其成为医疗精准诊断、制药质量控制、工业无损检测（包括）及公共安全领域的革命性工具。

根据Business Research Insights的预测，中国太赫兹成像系统市场规模预计在2025年约达到人民币3.55亿元，全球太赫兹成像系统市场规模预计在2026年约达人民币36.74亿元，并有望在2035年增长至约人民币201.37亿元。

根据3D科学谷的市场观察，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员成功通过优化设计并利用3D打印技术制备出螺旋结构太赫兹（THz）光学器件，这一突破有望填补下一代通信、无损检测、化学/生物传感等领域的技术空白。

该研究团队通过微尺度螺旋结构阵列在太赫兹频段实现了可靠的圆偏振波束生成，其图案化排列更可构成一种新型“手性快速响应码”（QR码），为高级加密/解密技术提供了新路径。相关成果发表于《先进科学》期刊，标志着首次对太赫兹频段螺旋结构完成全参数化分析，并展现出3D打印在太赫兹器件制造领域的巨大潜力。

3D打印螺旋结构：潜力巨大的太赫兹光学材料

赋予“手性”特征

当前缺乏适用于长电磁波长的光学晶体，而通过优化几何结构实现手性超材料，已成为在太赫兹频段产生圆偏振波束最有效的技术途径。

太赫兹频段作为电磁谱中的重要区域，不仅是5G/6G通信的技术支柱，还具备替代X射线与伽马射线的非电离检测潜力，并能探测其他波长无法识别的化学与生物特征信号。

然而，由于该频段频率过高难以适用电子学方案、波长过长又超出光子学常规处理范围，波片、相机等常见光学元件在太赫兹频段的实现一直面临挑战。研究团队聚焦于该领域的核心缺失环节之一——用于产生圆偏振光束的四分之一波片。

圆偏振光束具有类似螺旋楼梯的右旋或左旋扭转特性，这种“手性”（chirality）是氨基酸、DNA、蛋白质等生物分子的基本属性。利用手性光束探测分子振动，可揭示其结构、组成及生物活性的关键信息。太赫兹技术显著强化了这一能力，使其能够研究更大原子团簇，并检测长程有序结构与次级键网络产生的振动，为快速识别疾病特征或鉴定毒品、爆炸物等危险物质提供了新可能。

创新性的便捷扫描与高级加密信息安全方案

研究团队借助双光子聚合（2PP）这一超高分辨率光基3D打印技术，突破了传统太赫兹手性结构在传输效率与频带宽度方面的限制。

太赫兹频段约300微米的波长恰好是双光子聚合技术的理想加工尺度，研究团队能够通过这一技术精准制备该尺度下的任意几何结构。

LLNL团队3D打印“手性”二维码：用偏振方向编码，实现扫码便利与高级加密的统一。

研究团队通过仿真计算对螺旋结构的匝数、半径、高度及旋向等多变量进行了参数优化，并结合精密3D打印工艺，实现了功能导向的螺旋结构制备。3D打印的螺旋体在太赫兹频段表现出强宽带活性，能在任意方位角可靠生成圆偏振光束。研究还发现单螺旋结构具有明确的左/右旋信号特征，而阵列排布产生的耦合效应可同时增强两类信号响应，由此催生了全球首个“手性QR码”。

根据3D科学谷的了解，其中的原理是通过右旋像素代表黑色、左旋像素代表白色即可实现像素化编码。传统QR码通过二进制振幅或亮度承载信息，而手性QR码则利用左旋与右旋偏振旋转的相位差异进行编码。

该手性QR码的信息需通过特定“手性”滤波器在匹配的电磁频率下才能读取，为医院、金融机构及军事敏感环境提供了兼具便捷扫描与高级加密的新型信息安全方案。

创新并行3D打印工艺推动应用落地

本研究同时验证了团队创新的并行打印技术。该技术采用新型光学元件——超透镜阵列对激光进行精密聚焦，实现直接双光子聚合打印。大型超透镜阵列可同时产生超10万个聚焦光斑，形成3D打印“流水线”，通过控制光斑开关实现打印路径编程，大幅提升复杂层状非周期结构的制造效率。

主动控制聚焦光斑意味着该打印设备的使用者能在不同位置选择性打印不同手性的螺旋结构的高效制造。

此类螺旋结构在5G/6G通信带通滤波、手性分子传感及医学、生物学、天文探测等领域具有广阔应用前景。这项研究通过将高通量3D打印、材料科学与结构优化相结合，为充分发挥太赫兹频段技术潜力开辟了新道路。

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投稿丨daisylinzhu 微信

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