基于导波结构的太赫兹波前操纵研究

发布时间：2020-09-04 18:29

　　 太赫兹波由于所处位置特殊故而具有多种优良特性,因而可广泛应用在生物医学、通信、公共安全等领域,是近年来大热的研究方向之一。本论文首先介绍了太赫兹波前操纵的研究背景、研究意义以及研究现状,然后重点对太赫兹波段的金属平行平板波导理论、金属矩形波导理论以及广义斯涅尔定律进行详细的阐述。本论文主要研究工作是将广义斯涅耳定律中的相位突变原理引入金属波导理论中来,共同实现对太赫兹波段的波前操纵研究,研究主要集中在三种结构上,分别是艾里光束的产生、透镜的聚焦实现以及光谱的分辨。论文主要研究工作总结如下:(1)设计并仿真表征了一种基于金属平行平板波导的太赫兹艾里光束发生器的特性。此结构由十组平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板组组成,金属平板周期相等,奇数组内金属平板间隔均为d_1,偶数组内金属平板间隔均为d_2,金属平板间隔为d_1和d_2时产生的相位变化相差p符合艾里函数的相位要求,各组内金属平板周期数需要符合艾里函数的振幅分布。除了设计产生了艾里光束,艾里光束的许多特性比如自弯曲特性、自修复特性也通过修改参数的方法被仿真验证了。这种基于金属平行平板波导产生艾里光束的方法比以往文章中提出的方法要简单有效,期望可以在太赫兹和微波频率中得到更多不同的应用。(2)设计并仿真表征了三种基于金属波导的太赫兹超薄透镜,其中分别是基于金属平行平板波导的太赫兹二维透镜和双焦点透镜以及基于金属矩形波导的太赫兹三维透镜。二维透镜和双焦点透镜中单个金属平板之间狭缝的宽度以及金属平板的长度由入射光的偏振态、波导的工作模式和透镜的相位分布要求共同决定;三维透镜中单个矩形波导的x方向宽度、y方向宽度以及矩形波导的厚度由入射光的偏振态、波导的工作模式和透镜的相位分布要求共同决定。这种基于金属波导产生聚焦效果的方法相比于以往文章中提到的方法要设计简单、制作方便,并且可以产生接近于光束衍射极限的半高全宽。(3)设计并仿真表征了一种基于金属平行平板波导的太赫兹分光元件。我们设计了一个具有相等相位梯度的金属平行平板波导阵列。此结构可分辨的波长范围是0.80 mm到1.15 mm,即使入射波长仅变化0.01 mm,透射电场的强度变化也可以被检测到。记录波长变化时电场强度最大值坐标位置,得到波长与位移变化的对应关系曲线,即可达到光谱分辨的效果。这种基于金属平行平板波导阵列的太赫兹分光元件具有设计简单、体积小、轻便易携带的优点,是传统光谱仪的一种优良的替代方法。
【学位单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O441.4
【部分图文】：

中国计量大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景及意义太频率在 0.1~10 THz（1THz=1012Hz）范围内的电磁波是电磁波辐射里的一个特殊频带，被称为太赫兹辐射。图 1.1 为电磁波谱中的太赫兹波段[1]，从图中可以看出，太赫兹波段位于电磁频谱中的微波和红外辐射之间。类似于光学领域，在太赫兹领域下使用自由空间光学元件来控制光场的相位以实现所需要的功能也是非常重要的。近年来，超快光电子技术和低尺度半导体技术的发展，为太赫兹波段提供了合适的光源和探测手段，太赫兹科学和技术才得以飞速的发展。

使用化学腐蚀的方法腐蚀这些薄铜片的输出端使得从中间到两侧的曲率半径逐渐减小，具体结构见图1.2。此结构在入射频率大于截止频率时表现为完美透镜，而在入射频率小于截止频率时表现为完美反射镜。同年，Harvard 大学的 Capasso 等人使用 nanofins结构组成了一个用于可见光波段的超薄透镜，这个超透镜可以实现超越衍射级的聚焦和亚波长成像。图 1.2 太赫兹人工介质透镜图 1.3 可见光波段超透镜1.2.2 涡旋光束涡旋是一种有趣的现象，与我们的生活息息相关。涡旋光束经常被应用在

的平面是平的，输出端平面是一个球形凹面，使用化学腐蚀铜片的输出端使得从中间到两侧的曲率半径逐渐减小，具体构在入射频率大于截止频率时表现为完美透镜，而在入射频表现为完美反射镜。同年，Harvard 大学的 Capasso 等人使了一个用于可见光波段的超薄透镜，这个超透镜可以实现超亚波长成像。图 1.2 太赫兹人工介质透镜

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本文编号：2812439