基于二维特异材料波导的表面电磁波的慢波实验研究

本文在理论分析的基础上,实验研究了二维MNG/DPS/MNG(磁单负材料/双正材料/磁单负材料)表面波波导中的慢波效应.该波导的色散曲线随着电路参数(单元电容)的改变而改变,而且在色散曲线的截止频率点,电磁波的群速度理论上等于零.因此可以通过改变MNG区域的电路参数,得到在不同截止频率的慢波特性.另外,本文还通过改变MNG区域的电路参数实现在某一固定频率下波速度渐变的慢波效应.实验结果与仿真结果相一致.     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐振环阵列设计实现了具有连续介质层、非连续介质层和微腔结构的3款太赫兹超材料吸波器,并对其传感特性与传感机理进行了深入研究.结果表明,为了提高太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度、最大探测范围等传感特性,除了可以选用相对介电常数较小的材料作为中间介质层外,还可以改变中间介质层的形态,进而减小中间介质层对谐振场的束缚,增强谐振场与被测分析物之间的耦合.与传统的具有连续介质层的太赫兹超材料吸波器相比,具有非连续介质层和微腔结构的超材料吸波器具有更优越的传感特性,可应用于对待测分析物的高灵敏度、快速检测,在未来的传感领域具有更加广阔的应用前景.     

太赫兹波在有限电导率金属空芯波导中的传输特性

研究了太赫兹波在具有有限电导率的金属镀层空芯波导中的传输特性.从其传输的特性方程出发,利用Newton-Raphson迭代方法数值模拟了传输损耗和相位常数随太赫兹波频率、波导内径以及波导中金属镀层的电导率的变化关系.结果表明,采用大芯径波导和高电导率的金属镀层能有效降低太赫兹波的传输损耗. 关键词： 太赫兹波 空芯波导 特征方程     

石墨烯TE模表面等离子体波和表面等离子体波导的特性

基于含石墨烯的双/三层介质结构中的光学色散方程,研究了覆层和基底层材料对石墨烯表面等离子体波横电(TE)模的影响。计算结果表明,近红外波段内,石墨烯表面等离子体波TE模的性质对覆层和基底层介电常数的差值极其敏感。当覆层和基底层介电常数出现微小差异时,TE模可以进行传输。随着两介电常数差值的增大,TE模的有效折射率显著增大,甚至超过覆层折射率,而传播损耗不断减小。对于三层介质结构,相邻两介质分界面间添加单层石墨烯形成了平板波导结构,研究该结构发现,当传导层和基底层介电常数相近时,其夹层的石墨烯对波导TE模的调控尤其显著,这种调控来源于电磁波耦合到石墨烯形成的表面等离子体波TE模。这些结果为设计调制器、检测器和过滤器等石墨烯表面等离子体波导器件提供了理论支持。     

基于Z-FDTD的THz波与等离子体相互作用

利用Z变换时域有限差分法(Z-FDTD)计算等离子体鞘层中太赫兹(THz)波的传输特性,得出太赫兹波的功率反射和透射系数在等离子鞘层中随电磁波频率的变化曲线图,分析了太赫兹波的传输特性与等离子体结构参数(鞘层厚度、碰撞频率以及电子密度)的关系,对利用太赫兹波缓解等离子体鞘层通信中出现的“黑障”现象做了探讨。结果表明:太赫兹波能改善等离子体鞘层通信,为解决“黑障”问题提供了有效途径。     

有损金属圆波导中电磁波传输特性的研究

基于电磁模式的色散方程，研究了有损金属圆波导中电磁模式的传输问题.在考虑了损耗层厚度影响的情况下，得到了各模式传输常数的近似解析表达式，此式适用于截止频率附近.通过解析表达式和波导模式色散方程，对衰减常数和相位常数进行了大量数值计算，得到了它们随损耗层厚度、频率以及损耗层电导率的变化规律，两种方法所获得的结果有较好的一致性.研究表明，损耗强度和损耗层厚度的变化会改变波导中电磁模式的色散和简并特性，对于改善高功率回旋行波放大器中注波互作用带宽和模式竞争非常有益. 关键词： 有损圆波导 相位常数 衰减常数 色散方程     

基于表面等离子体的太赫兹光束方向调控的模拟研究

本文根据锑化铟(InSb)材料在THz波段下复介电常数对温度的响应特性,采用了带有光栅的锑化铟-介质-锑化铟的表面等离子体波导结构,实现了1THz频率光束的准直出射,并能够通过调整结构两侧光栅的温度差来控制出射光束的角度.由时域有限差分方法得到光束偏转角度与温度差之间的关系.理论上利用表面等离子体波导模式的光栅耦合机理解释光束方向改变的原因. 关键词： 表面等离子体 太赫兹 时域有限差分方法 光束方向控制     

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在理想条件下,为了研究等离子体参数、填充率、入射角度和介质层相对介电常数对一维三元磁化等离子体光子晶体的禁带特性的影响,用由传输矩阵法计算得到的TE波任意角度入射时的左旋极化波(LCP)和右旋极化波(RCP)的透射系数来研究其禁带特性。结果表明,仅增加等离子体碰撞频率不能实现禁带宽度的拓展,改变等离子体频率、填充率和介质层的相对介电常数能实现对禁带宽度和数目的调谐。改变等离子体回旋频率能实现对右旋极化波的禁带的调谐,但对左旋极化波的禁带几乎无影响。入射角度的增大使得禁带低频区域带宽变大,而高频区域带宽则是将先减小再增大。     

部分负曲率太赫兹空芯波导研究

提出了一种新型部分负曲率反谐振空芯太赫兹波导,波导包层包括两部分,一部分由介质圆管组成,为纤芯提供部分负曲率边界;另一部分由多个矩形介质层组成,多介质层可用来降低限制损耗.此波导结构在增加反谐振层的同时不引入新的包层节点,易于实现太赫兹波的宽带低损耗传输.采用全矢量有限元法对波导进行了数值仿真,研究了其宽带低损耗特性.基于此,利用3D打印技术制备了所设计波导,使用太赫兹时域光谱系统对其传输特性进行测试.实验结果表明,该负曲率太赫兹波导在0.29～0.42THz的传输损耗低于10dB/m,与数值仿真结果吻合较好.     

基于场匹配的任意折射率平板波导ESI参数的分析和计算

首次采用了场的最小二乘方 (LSE)和最小均方误差 (LMS)判据寻找平板波导的等效阶跃折射率 (ESI)模型 ,并通过它预测了平板波导的传输特性。计算结果表明 ,原始波导与等效波导场分布在具有最大近似性的基础上 ,ESI模型可以在一定范围内有效的预测平板波导的传输特性。归一化频率与第一个高阶模的截止频率之比在小于 0 7的情况下 ,用上述两种判据找到的ESI模型预测传输常数相对误差小于 0 0 1 % ,预测归一化传输常数的相对误差小于 1 0 %。     

Spoof surface plasmon-based bandpass filter with extremely wide upper stopband

We investigate the guiding modes of spoof surface plasmon polaritons(SPPs) on a symmetric ultra-thin plasmonic structure. From the analysis, we deduce the operating frequency region of the single-mode propagation. Based on this property, a spoof SPPs lowpass filter is then constituted in the microwave frequency. By introducing a transmission zero at the lower frequency band using a pair of stepped-impedance stubs, a wide passband filter is further realized. The proposed filter is fed by a transducer composed of a microstrip line with a flaring ground. The simulated results show that the presented filter has an extremely wide upper stopband in addition to excellent passband filtering characteristics such as low loss, wide band, and high square ratio. A prototype passband filter is also fabricated to validate the predicted performances.The proposed spoof-SPPs filter is believed to be very promising for other surface waveguide components in microwave and terahertz bands.     

微波频段表面等离子激元波导滤波器的实验研究

基于理论分析, 实验研究了二维磁单负材料/双正材料/磁单负材料表面等离子波导的滤波效应. 研究表明, 该波导结构具有低通滤波性质, 引入分支缺陷之后, 由于谐振效应该波导具有带阻滤波效应. 分支缺陷相当于亚波长谐振腔, 谐振腔的长度决定带阻滤波器的中心频率, 而中心频率几乎不受缺陷位置的影响; 滤波器透射率下降的幅度由耦合距离决定. 通过引入谐振腔及改变谐振腔的长度、数量以及耦合间距等参数, 可以实现可调节的表面等离子波导滤波器. 实验结果与理论分析符合得很好, 该性质将在可调的单通道或多通道带阻滤波器件中具有潜在的应用价值. 关键词： 表面等离子激元 特异材料波导 谐振腔 滤波器     

高效光子晶体太赫兹滤波器的设计

提出了一种新型光子晶体太赫兹(THz)滤波器,该滤波器包括利用线缺陷实现的波导部分和利用微腔实现的频率选择部分.应用平面波法(PWM)分析其带隙结构,然后应用时域有限差分法(FDTD),研究THz波在此滤波器中的传输特性,结果表明,通过改变点缺陷的结构和增大某些介质柱的半径,可以使该滤波器实现高耦合效率的单信道单频率滤波. 关键词： 光子晶体 THz波 平面波法 时域有限差分法     

Transmission characteristics of a microscale dielectric slab waveguide device with a deep groove and an embedded metallodielectric grating at low terahertz frequency

We discuss the transmission characteristics of a microscale dielectric waveguide device with a deep groove and an embedded metallodielectric grating illuminated by a continuous wave of TM and TE modes at low terahertz frequency. To study its performance we solve numerically the corresponding Maxwell equations by means of finite difference time domain method with uniaxial perfectly match layer as its boundary condition. By varying the angle of incident, grating filling factor and refractive index of analyte in the deep groove, it is found that the device exhibits a significant transmission enhancement for the TM mode due to the existence of surface plasmon interaction. We also demonstrate its potential application as a biosensor device.     

多注速调管π模双间隙腔截止波导输出回路研究

 用数值模拟的方法研究了多注速调管π模双间隙腔加载截止波导两节滤波器型输出回路的特性，并重点研究了π模双间隙腔与截止段的耦合结构对输出腔间隙阻抗频率特性的影响，以及耦合接头和电容性销钉对截止波导滤波器的调谐作用。研究结果表明：π模双间隙腔连接截止波导段的耦合口的尺寸主要影响输出腔的外观品质因数，而耦合接头的粗细和电容性销钉的大小和插入深度对截止波导滤波器的调谐具有重要影响。另外，由于耦合接头相当于在截止段中引入了一个附加电感，这使滤波器谐振电路的品质因数变大，谐振峰变窄。因此，π模双间隙腔加载截止波导滤波器型输出回路并不比单间隙腔加载截止波导滤波器型输出回路有更好的带宽优势。     

Enlargement of the band gap in the metal-insulator-metal heterowaveguide

We present a new metal-insulator-metal (MIM) heterowaveguide to enlarge the band gap, which is formed by alternately stacking two kinds of metals, modulating the MIM waveguide slit, and inserting different dielectric materials with the effective refractive index periodically modulated. Based on this structure, we adopt two different methods to enlarge the band gap: changing the thickness of the unit layer and combining two MIM structures. Both of them widen the band gap when surface plasmon polaritons propagate through the structure. This metal heterostructure is expected to have applications in surface plasmon polaritons (SPPs) based optical devices, such as filters, waveguides, especially for broad band gap elements.     

太赫兹波段折叠波导行波管的线性分析和计算

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序,分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明:适当选取工作点和结构参数,可以获得最佳增益值;考虑损耗后,除了前向增长的辐射场外,还会出现反向传输的静态波;随着工作频段向高频方向延伸,前向波的增益显著降低,而反向波强度则增大。因此,工作频率提高时,为了达到一定大小的增益,需要的折叠波导的周期数也相应增加。     

Performance study of a liquid-core Bragg fiber sensor in presence of a defect layer

Performance parameter of a Bragg fiber waveguide based resonant sensor in presence of a defect layer in cladding regions is theoretically studied. The Bragg fiber waveguide consists of a liquid-core surrounded by alternate high and low refractive indices materials in cladding regions. Reflectivity of the proposed waveguide based resonant sensor is formulated using transfer matrix method for a non-homogeneous multilayer cylindrical system. The waveguide shows a band gap region with a narrow defect mode in the band gap region under the considered wavelength range. Instead of taking a whole band gap as a sensing signal, here the defect peak is taken as the sensing signal. It is observed that the intensity of defect mode is more sensitive for core refractive index than the intensity of traditional band gap region (lobe). This study shows that the higher sensitivity can be achieved by creating the defect at a position in cladding region where the intensity of transmitted light lies between 40% and 90%. Presence of a defect layer is able to increase the detection accuracy of the sensor and, hence increase the overall performance of this sensor.     

金属异质波导阵列中的表面等离激元传播特性

提出了一种新的一维金属异质波导阵列的设计方案,即波导芯区周期调制的金属波导阵列.数值模拟的结果表明,金属波导芯区的周期调制引起波导中传播的表面等离激元有效折射率的周期调制,从而可在特定的波段打开一个表面等离激元带隙(如1550nm附近).通过引入合适的缺陷波导单元,可获得特定波长的高品质因子(Q=556)的表面电磁模共振.这一结果可用于设计亚波长的布拉格反射器、光发射器、滤波器等,有可能被用于未来的集成光路.     

二维六方柱光子晶体特性研究

通过平面波展开法对二维六方介质柱（空气孔）光子晶体带隙理论进行了分析,仿真发现带隙的变化与晶格常数的具体取值无关,而只与其填充比有关。三角晶格的这种光子晶体的带隙特性最好,并对空气孔之间产生交叠情况下的带隙特性进行了分析说明。随着介质柱（空气孔）与背景折射率差值的增大,光子晶体的带隙会逐渐变宽,而且带隙的位置也会向低频移动。用FDTD法对四方晶格的二维六方柱光子晶体波导透射特性进行了仿真,仿真结果表明其与波导的带隙结果吻合。