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环形光栅包层THz空芯波导器件的研究

作　者: 田东斌
导　师: 肖强；张怀武
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 太赫兹环形光栅空芯波导衰减常数
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

太赫兹(THz)辐射(0.1–10 THz, 1 THz =1012Hz)介于毫米波和远红外光之间,被称为电磁波谱的THz空隙,具有频带宽、能量低、相干性好、分辨率高以及保密性好等优点,在物理、化学、生物、医学、材料、信息、通信和国家安全等方面具有巨大的应用前景。THz辐射源、传输和探测是THz技术的三大难点。由于自然界缺乏适于THz波传输的低损耗、低群速度色散的固体材料,因此,研究和设计THz波导材料是实现THz技术广泛应用的关键。目前研制的波导损耗一般在1 dB/m以上,传输长度小于1 m。本论文在研究环形光栅包层空芯波导的基础上,从理论、仿真模拟和实验等方面对THz空芯波导进行了深入的研究。论文的主要内容和创新点包括:1.提出、设计和制作了一种新型的双环形光栅包层THz空芯波导结构,并提出了极化约束导波的概念。双环形光栅对称地分布在圆柱形聚乙烯管的内外两侧,构成一个同轴波导结构。当填充比为1时该结构就等效于介质管内衬聚合物薄膜的金属膜覆盖的介质波导;为0时类似于只有几层包层的布拉格光纤。其导波是通过光栅的极化特性和光栅包层的高反射性将THz波能量限制在空气芯中传播。用全波矢量有限元方法对双环形光栅空芯波导的损耗、色散和模式分布进行模拟分析。利用THz时域光谱系统进行测试,实验表明,直径为5 mm的空芯波导基模的衰减常数为0.62 dB/m,与模拟结果吻合的较好。2.提出了内衬金属光栅介质波导的结构。环形光栅嵌入到介质管的内壁,外层包裹金属薄膜,该结构既能实现THz波的低损耗传输,同时又大大降低了波导的加工难度。用全波矢量有限元方法模拟分析了波导中传输的模式特征和主模的衰减常数。影响环形光栅包层空芯波导传输损耗的因素包括光栅的厚度、光栅的嵌入深度、光栅的填充因子、包层介质的折射率、波导中传输的模式特征和波长等,而且各个变量之间相互影响。2 THz时,主模HE11模式的最优化的嵌入深度和光栅的厚度分别为6-17μm和20-25μm。利用THz-TDS光谱系统测试了介质管内壁刻蚀光栅(IMG)和嵌入光栅(EMG)的波导的导波性能,EMG波导的模式衰减相对较小。3.建立环形光栅嵌入的空芯圆柱形介质管的等效介质模型,并给出了不随入射波长而变化的材料的等效介电常数和磁导率。用基于全波矢量有限元的电磁波微扰方法模拟分析环形光栅包层空芯波导的模式分布和衰减,讨论了光栅几何参数和光学参数对传播常数、损耗系数、等效折射率等的影响。给出几何参数和光学参数的优化组合范围,模拟结果与全波矢量有限元方法的结果能够较好的吻合。4.提出、设计并制作了双线栅格THz极化器结构:以低损耗聚乙烯介质薄膜为衬底,双面镜像对称地刻蚀金属铜线栅格。利用近似的耦合模式分析理论对双栅格的几何参数和中心介质层的厚度进行优化分析,并设计和制作了适用于宽频带范围的THz极化器。当中心介质层的厚度接近四分之一波长时,双栅格极化器可以等效为无支撑的线栅格极化器。用THz-TDS进行测试,在0.1-3 THz的频率范围,平行极化和垂直极化的极化率分别高于70%和低于2%,在0.5-3THz范围内平均消光比超过33 dB,而且在高频段(>1.5 THz)的极化性能优于无支撑的线栅格极化器。综上,环形光栅包层THz空芯波导通过环形栅格的极化特性和光栅嵌入介质管中增强的等效折射率限制THz波在空气芯中传播,传输的模式质量高,损耗低,色散小,波导的长度可以达到米级以上。因此,环形光栅包层THz空芯波导可以用于THz波的成像、探测系统,以及医疗诊断的内窥镜中。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-29
  1.1 前言  13-14
  1.2 THz辐射的特点及应用  14-17
  1.3 THz波的发射源和探测器  17-20
  1.4 THz波导器件的研究背景及进展  20-27
    1.4.1 金属空腔波导  21
    1.4.2 带状介质波导  21-22
    1.4.3 平行平板波导  22-23
    1.4.4 裸金属线波导  23-24
    1.4.5 光子晶体光纤  24-26
    1.4.6 空气芯波导  26-27
  1.5 本论文的选题的依据和研究内容  27-29
第二章 THz波传输基本理论  29-50
  2.1 引言  29
  2.2 THz波与物质相互作用机理  29-34
    2.2.1 THz波段的介质和晶体及介电性能  30-31
    2.2.2 THz波段的导体及介电性能  31-34
  2.3 空芯波导中THz波的传输机理  34-36
  2.4 表面等离子体波及在THz技术中的应用  36-37
  2.5 THz时域光谱技术  37-39
  2.6 双环形光栅空芯波导的电磁理论  39-48
    2.6.1 全波矢量有限元方法  39-40
    2.6.2 双环形光栅空芯波导横截面内的场分布  40-45
    2.6.3 环形光栅空芯波导的微扰理论  45-46
    2.6.4 环形光栅THz空芯波导的等效介质理论  46-48
  2.7 本章小结  48-50
第三章双线栅格结构的极化和导波分析  50-69
  3.1 引言  50-51
  3.2 双线栅格极化器的设计和制备  51-53
  3.3 双线栅格极化器的极化特性测试  53-55
  3.4 实验结果分析与讨论  55-61
    3.4.1 双栅格极化器的极化特性测试  55-57
    3.4.2 中心介质层的THz-TDS测试  57
    3.4.3 极化传输随极化角的变化  57-61
  3.5 双线栅格极化器极化性能的数值模拟  61-65
  3.6 双线栅格极化器的导波性能研究  65-68
    3.6.1 辐射抑制长程表面等离子体波导  65-66
    3.6.2 栅格耦合表面等离子体波导  66-68
  3.7 本章总结  68-69
第四章双环形光栅包层THz空芯波导的设计与制备  69-91
  4.1 引言  69-72
    4.1.1 THz空芯波导的研究背景  69-70
    4.1.2 THz空芯波导研究现状  70-72
  4.2 双环形光栅空芯波导的导波机制  72-73
  4.3 双环形光栅空芯波导的有限元模拟分析  73-81
    4.3.1 双环形光栅空芯波导中基模的场分布和衰减  73-78
    4.3.2 双环形光栅空芯波导中的高阶模式分析  78-81
  4.4 双环形光栅空芯波导的微扰方法分析  81-86
  4.5 双环形光栅空芯波导的制备和测试  86-90
    4.5.1 样品的制备  86
    4.5.2 THz时域光谱系统测试  86-87
    4.5.3 测试结果分析与讨论  87-90
  4.6 本章小结  90-91
第五章内衬光栅包层聚合物空芯波导的导波分析与实验测试  91-106
  5.1 引言  91-92
  5.2 内壁嵌入光栅空芯介质波导(EAMGWG)的设计与分析  92-97
    5.2.1 EAMGWG 波导结构设计  92-93
    5.2.2 EAMGWG 的导波机制  93-94
    5.2.3 EAMGWG 中基模的衰减常数  94-97
  5.3 EAMGWG 微扰方法分析  97-101
  5.4 EAMGWG 导波的实验验证  101-104
  5.5 本章小结  104-106
第六章结论与展望  106-110
致谢  110-111
参考文献  111-123
攻读博士期间取得的学术成果  123-125

环形光栅包层THz空芯波导器件的研究

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