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太赫兹切连科夫辐射的基础理论研究

作　者: 张彬铮
导　师: 杨冬晓
学　校: 浙江大学
专　业: 电磁场微波技术
关键词: 太赫兹电磁波 切连科夫辐射 太赫兹辐射源 光子晶体 色散媒质
分类号: O441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


太赫兹电磁波(Terahertz Waves)是指频率在100 GHz到10 THz范围内的电磁波，它在电磁波谱上介于毫米波与红外电磁波之间。由于其波长和光子能量的特点，太赫兹电磁波具有很多优越的特性，因此在很多的研究和应用领域都具有非常高的价值。切连科夫辐射(Cherenkov Radiation)是一种由运动带电粒子在介质中作超光速运动时产生的辐射。近年来，随着太赫兹技术的发展，切连科夫辐射同样被用在太赫兹波的产生上，并且取得了一定的成果。本文在已有的切连科夫辐射研究成果以及经典电磁理论的基础上，从理论上系统地分析了各种复杂媒质中的切连科夫辐射波，并且提出了一套系统地分析复杂介质中切连科夫辐射波的方法，初步探讨了基于经典理论的切连科夫辐射及其在太赫兹技术中的应用。本论文的研究工作主要包括以下内容：(1)对带电粒子切连科夫辐射的经典理论作了详细的回顾，并讨论了基本切连科夫辐射源的设计理论和方法。详细论述了经典理论、色散关系、辐射结构及其在各种媒质材料中的适用范围。在此基础上，分析了两个最简单的太赫兹切连科夫辐射系统。(2)对频率色散媒质中带电粒子的切连科夫辐射作了详细的讨论，提出了一种系统的方法，从麦克斯韦方程组的另一个角度来分析辐射波的结构，这种方法可以用于非常复杂的材料、结构中的切连科夫辐射的理论分析。(3)对空间色散媒质中的切连科夫辐射作了详细的分析，讨论了辐射波的各种模式以及对应的速度范围，并进一步通过数值计算结果来讨论光子晶体控制辐射频率的能力。(4)最后，对新型电磁材料中的切连科夫辐射作了基本的分析，计算了在负折射媒质中的切连科夫辐射，得出了色散和辐射之间的关系。新型电磁材料由于其色散的可控性，因此从理论上讲，可以用来产生特定频率的太赫兹辐射，这将给太赫兹切连科夫辐射带来新的内容。本论文的创新点为，提出了一套系统的分析方法，可以用于非常复杂条件下，切连科夫辐射的理论分析，并且从理论上提出使用空间色散媒质产生太赫兹切连科夫辐射的基本原理。这在公开出版物中未见报导。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章 绪论  7-16
  1.1 太赫兹波和太赫兹电磁辐射  7-9
    1.1.1 太赫兹技术简介  7-8
    1.1.2 太赫兹技术的应用  8
    1.1.3 太赫兹源简介  8-9
  1.2 切连科夫(Cherenkov)辐射简介  9-12
    1.2.1 切连科夫辐射的发现  9-11
    1.2.2 切连科夫辐射的应用  11-12
  1.3 切连科夫辐射在太赫兹波产生中的应用  12-13
  1.4 课题研究意义与本论文的主要工作  13-16
第二章 均匀介质中的切连科夫辐射  16-30
  2.1 物理模型  16-23
    2.1.1 麦克斯韦方程组和格林函数  16-20
    2.1.2 一种求解麦克斯韦方程组直接方法  20-23
  2.2 切连科夫辐射的色散关系  23-24
  2.3 辐射能流密度的计算  24-26
  2.4 色散介质中的切连科夫辐射  26-29
    2.4.1 频率色散媒质中的切连科夫辐射  26-28
    2.4.2 空间色散媒质中的切连科夫辐射  28-29
  2.5 小结  29-30
第三章 均匀介质中太赫兹切连科夫辐射及其应用  30-40
  3.1 Lithium Niobate晶体表面的低功率切连科夫辐射  30-32
    3.1.1 辐射源的构造  30-31
    3.1.2 太赫兹切连科夫辐射脉冲的检测  31-32
  3.2 慢波结构中的高功率切连科夫辐射  32-38
    3.2.1 基本理论  32-37
    3.2.2 模式的完备正交性  37-38
    3.2.3 仿真结果  38
  3.3 小结  38-40
第四章 光子晶体中的太赫兹切连科夫辐射  40-57
  4.1 色散曲面理论-从另一个角度看麦克斯韦方程组  40-43
  4.2 正方形结构光子晶体中的切连科夫辐射  43-52
    4.2.1 二维光子晶体的带隙结构和色散曲面  43-44
    4.2.2 第一个光子晶体能带中的TE模辐射  44-49
    4.2.3 光子晶体高阶能带中的TE辐射波  49-50
    4.2.4 TM辐射波的情况  50-52
  4.3 光子晶体中的太赫兹切连科夫辐射  52-55
    4.3.1 光子晶体能带结构和色散曲面  52-53
    4.3.2 时域仿真结果  53-55
  4.4 小结  55-57
第五章 单轴色散媒质中的太赫兹切连科夫辐射  57-63
  5.1 麦克斯韦方程组的求解和辐射的电磁场  57-61
    5.1.1 物理模型  57-59
    5.1.2 矢量格林函数及其解  59-60
    5.1.3 辐射能流  60-61
  5.2 时域仿真结果和讨论  61-62
  5.3 小结  62-63
参考文献  63-66
致谢  66

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 电磁学、电动力学 > 电磁学 > 电磁波与电磁场
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