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。
