環(huán)形光柵包層THz空芯波導(dǎo)器件的研究.pdf

1、太赫茲(THz)輻射(0.1–10THz,1THz=1012Hz)介于毫米波和遠(yuǎn)紅外光之間，被稱為電磁波譜的THz空隙，具有頻帶寬、能量低、相干性好、分辨率高以及保密性好等優(yōu)點(diǎn)，在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、材料、信息、通信和國(guó)家安全等方面具有巨大的應(yīng)用前景。THz輻射源、傳輸和探測(cè)是THz技術(shù)的三大難點(diǎn)。由于自然界缺乏適于THz波傳輸?shù)牡蛽p耗、低群速度色散的固體材料,因此，研究和設(shè)計(jì)THz波導(dǎo)材料是實(shí)現(xiàn)THz技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前研制的

2、波導(dǎo)損耗一般在1dB/m以上，傳輸長(zhǎng)度小于1 m。本論文在研究環(huán)形光柵包層空芯波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，從理論、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)等方面對(duì)THz空芯波導(dǎo)進(jìn)行了深入的研究。論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　1.提出、設(shè)計(jì)和制作了一種新型的雙環(huán)形光柵包層THz空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并提出了極化約束導(dǎo)波的概念。雙環(huán)形光柵對(duì)稱地分布在圓柱形聚乙烯管的內(nèi)外兩側(cè)，構(gòu)成一個(gè)同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)填充比為1時(shí)該結(jié)構(gòu)就等效于介質(zhì)管內(nèi)襯聚合物薄膜的金屬膜覆蓋的介質(zhì)波導(dǎo)；為0時(shí)類似

3、于只有幾層包層的布拉格光纖。其導(dǎo)波是通過(guò)光柵的極化特性和光柵包層的高反射性將THz波能量限制在空氣芯中傳播。用全波矢量有限元方法對(duì)雙環(huán)形光柵空芯波導(dǎo)的損耗、色散和模式分布進(jìn)行模擬分析。利用THz時(shí)域光譜系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明，直徑為5 mm的空芯波導(dǎo)基模的衰減常數(shù)為0.62 dB/m，與模擬結(jié)果吻合的較好。
　　2.提出了內(nèi)襯金屬光柵介質(zhì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。環(huán)形光柵嵌入到介質(zhì)管的內(nèi)壁，外層包裹金屬薄膜，該結(jié)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)THz波的低損耗傳輸，

4、同時(shí)又大大降低了波導(dǎo)的加工難度。用全波矢量有限元方法模擬分析了波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ教卣骱椭髂５乃p常數(shù)。影響環(huán)形光柵包層空芯波導(dǎo)傳輸損耗的因素包括光柵的厚度、光柵的嵌入深度、光柵的填充因子、包層介質(zhì)的折射率、波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ教卣骱筒ㄩL(zhǎng)等，而且各個(gè)變量之間相互影響。2 THz時(shí)，主模HE11模式的最優(yōu)化的嵌入深度和光柵的厚度分別為6-17μm和20-25μm。利用THz-TDS光譜系統(tǒng)測(cè)試了介質(zhì)管內(nèi)壁刻蝕光柵(IMG)和嵌入光柵(EMG)的波

5、導(dǎo)的導(dǎo)波性能，EMG波導(dǎo)的模式衰減相對(duì)較小。
　　3.建立環(huán)形光柵嵌入的空芯圓柱形介質(zhì)管的等效介質(zhì)模型，并給出了不隨入射波長(zhǎng)而變化的材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。用基于全波矢量有限元的電磁波微擾方法模擬分析環(huán)形光柵包層空芯波導(dǎo)的模式分布和衰減，討論了光柵幾何參數(shù)和光學(xué)參數(shù)對(duì)傳播常數(shù)、損耗系數(shù)、等效折射率等的影響。給出幾何參數(shù)和光學(xué)參數(shù)的優(yōu)化組合范圍，模擬結(jié)果與全波矢量有限元方法的結(jié)果能夠較好的吻合。
　　4.提出、設(shè)計(jì)并制作了

6、雙線柵格THz極化器結(jié)構(gòu)：以低損耗聚乙烯介質(zhì)薄膜為襯底，雙面鏡像對(duì)稱地刻蝕金屬銅線柵格。利用近似的耦合模式分析理論對(duì)雙柵格的幾何參數(shù)和中心介質(zhì)層的厚度進(jìn)行優(yōu)化分析，并設(shè)計(jì)和制作了適用于寬頻帶范圍的THz極化器。當(dāng)中心介質(zhì)層的厚度接近四分之一波長(zhǎng)時(shí)，雙柵格極化器可以等效為無(wú)支撐的線柵格極化器。用THz-TDS進(jìn)行測(cè)試，在0.1-3 THz的頻率范圍，平行極化和垂直極化的極化率分別高于70％和低于2%，在0.5-3THz范圍內(nèi)平均消光比超過(guò)