【摘要】：太赫茲科技在無線通信、安全監(jiān)測、非破壞性成像、傳感等方面具有很大的應用前景。這些廣泛的應用都基于多種多樣的太赫茲功能器件。其中一個最基本最重要的器件就是太赫茲波導。顧名思義,太赫茲波導是用來指導太赫茲波傳輸?shù)?可以把太赫茲波從一個地方傳輸?shù)叫枰竭_的另一個地方。研究人員目前對此正在進行廣泛且深入的研究,提出了各種各樣的波導結(jié)構(gòu),以及許多基于太赫茲波導的功能器件。根據(jù)導波材料的不同,在太赫茲波段主要有三種類型的波導:1、金屬波導,2、金屬-電介質(zhì)波導,3、純電介質(zhì)波導。波導的傳輸損耗是評價其性能的重要指標。除此之外,波導耦合也是一個重要的研究熱點。本博士論文研究了太赫茲波在波導中的傳輸與耦合現(xiàn)象。提出了基于平行平板金屬波導的太赫茲T形腔的消逝共振模模型,對其共振特性進行理論分析,解釋了其共振的物理本質(zhì)。此外,在太赫茲金屬波導和純電介質(zhì)波導研究的基礎(chǔ)上,提出了新的太赫茲波導結(jié)構(gòu)。研究了該種新型波導的余弦-高斯模的傳輸損耗以及與高斯光束的耦合問題。最后設計了一個橢圓-雙曲形連接器,大大提高了太赫茲高斯光束到雙曲線形波導的耦合效率。本博士論文主要工作有以下三點:1.提出了基于平行平板金屬波導的太赫茲T形腔的消逝共振模模型,揭示了其共振現(xiàn)象的本質(zhì)。對于基于平行平板金屬波導的T形腔,其功率透射譜有一個透射谷,在共振處透過率幾乎為零。這個特點使其在傳感和濾波方面具有重要應用。Mittleman等人用模式匹配法分析這種共振現(xiàn)象,陳等人稱這種共振模為表面腔模。但是仍然缺少一個合理的解釋。我們提出的消逝共振模主要由T形交叉區(qū)域的傳輸波和交叉區(qū)域以外的三個消逝波組成。由于平行平板波導基模之間的正交性,在共振頻率處,入射的TE_1模的太赫茲波不能耦合到T形腔,這合理地解釋了該共振現(xiàn)象。此外還發(fā)現(xiàn)共振頻率與T形腔的幾何參數(shù)之間具有復雜的關(guān)系。理論的共振頻率、共振電場與模擬的符合得很好。該工作有以下幾個創(chuàng)新點:(a)消逝共振模模型能很好地解釋T形腔的共振現(xiàn)象。當激發(fā)TE_2類消逝共振模時,由于平行平板波導基模之間的正交性,入射的TE_1本征模無法耦合到T形腔。大部分入射波的能量被反射,一小部分被局域在T形腔里,幾乎沒有能量透射過去。(b)共振頻率與T形腔的幾何參數(shù)之間具有復雜的關(guān)系。平板間距對共振頻率具有很大的影響,槽的寬度對共振頻率具有很小的影響,槽的深度對共振頻率幾乎沒有影響。為了避免槽里面的非消逝模,平板間距必須大于兩倍的槽的寬度。(c)除了成功地解釋了TE_2類消逝共振模,我們還預言了TE_1類和TE_3類消逝共振模的存在。其中TE_1類消逝共振模被完全局域在T形腔內(nèi)。2.提出一種多切片電介質(zhì)填充的矩形金屬太赫茲波導的余弦-高斯模在太赫茲波段,矩形金屬波導的TE_(01)模具有較低的損耗。然而,其模式場在一個方向上幾乎不變,與高斯光束不匹配。光纖的基模是高斯形的,與高斯光束具有較高的匹配度,但是由于電介質(zhì)材料的引入,其傳輸損耗比較高�；诰匦谓饘俨▽У腡E_(01)模和光纖的高斯模,我們提出了多切片電介質(zhì)填充的矩形金屬波導的余弦-高斯模。首先理論分析了理想情況下梯度折射率分布填充的方法,并對其特性進行研究。然后根據(jù)有效介質(zhì)理論提出了用多切片電介質(zhì)實現(xiàn)梯度折射率分布的方法。研究結(jié)果表明余弦-高斯模與高斯光束具有較高的耦合效率,同時具有較低的傳輸損耗。該工作有以下幾個創(chuàng)新點:(a)根據(jù)光纖基模的高斯近似分析方法和矩形金屬波導的分析方法,理論上建立了梯度折射率分布的電介質(zhì)填充的矩形金屬波導的本征方程。并數(shù)值求解了其模式場分布和有效折射率。(b)余弦-高斯模與高斯光束在形狀和偏振上非常相似,因此它們具有更好的模式疊加,耦合效率也比較高。(c)余弦-高斯模在一個方向上高斯形的場分布導致金屬邊界上電場的場值相對較小,這樣就減小了由于金屬而引起的歐姆損耗。余弦-高斯模具有較低的傳輸損耗。(d)用多片的電介質(zhì)對結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)梯度電介質(zhì)分布。由于空氣的引入,減小了電介質(zhì)材料引起的等效損耗。3.設計了用于提高高斯光束到雙曲線金屬波導的耦合效率的橢圓-雙曲線形太赫茲連接器。雙曲線形金屬波導可以實現(xiàn)太赫茲波的場增強和聚焦。但是雙曲線形金屬波導的本征模具有橢圓偏振的電場,與線性偏振的高斯光束耦合效率不高。橢圓-雙曲線形金屬波導可以把矩形金屬波導的TE_(01)模絕熱地轉(zhuǎn)化成雙曲線波導的橢圓偏振模。根據(jù)WKB近似,在緩慢的變化過程中,可以忽略入射波的反射和散射。相比橢圓偏振模,矩形波導的TE_(01)模是線性偏振的,與高斯光束的耦合效率比較高。該工作有以下幾個創(chuàng)新點:(a)矩形金屬波導的TE_(01)模被絕熱地轉(zhuǎn)化成雙曲線形金屬波導的橢圓偏振模。(b)通過橢圓-雙曲線形連接器,高斯光束與雙曲線形金屬波導的耦合效率被大大提高。本論文包含了我們在太赫茲金屬波導方面的研究工作,重點闡述了基于平行平板金屬波導的太赫茲T形腔的消逝共振模模型、多片電介質(zhì)填充的矩形金屬波導的余弦-高斯模的特性、高斯光束通過橢圓-雙曲線形連接器與雙曲線金屬波導的耦合。這些研究成果在濾波器,傳感器,波分復用等領(lǐng)域具有一定的應用前景。
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O441.4

【參考文獻】

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1 P.Tannouri;M.Peccianti;P.L.Lavertu;F.Vida;R.Morandotti;;Quasi-TEM mode propagation in twin-wire THz waveguides[J];Chinese Optics Letters;2011年11期

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本文編號：2653044