THz波在金属镀层空芯波导中传输的理论和实验研究

本文基于微扰法求得不同金属镀层空心圆波导中各模式的损耗系数,对金属镀层空芯波导中THz波传输损耗随金属材料、波导结构等参数的变化关系进行了数值模拟.根据数值分析结果,优化设计并拉制了内径为1.1 mm的镀银空芯波导,实验测得当THz波的频率为2.5 THz时,传输损耗为8.6 dB/m,实现了THz波短距离的有效传输. 关键词： 太赫兹波 金属空芯波导 传输损耗     

大口径柔性介质金属膜太赫兹波导的制作与特性

基于介质/金属膜结构空芯波导的原理,制作了用于太赫兹波传输的大口径柔性介质/金属膜波导。针对大口径的特点,设计改良了液相镀膜法并制作了具有不同介质膜厚的柔韧波导。对制作波导的介质膜厚和损耗谱等进行了理论分析和实验验证。采用发射频率为2.5 THz的量子级联激光器,对介质/金属膜结构太赫兹空芯波导的传输损耗、弯曲附加损耗以及光斑能量分布特性等进行了实验研究。结果表明,传输损耗及弯曲附加损耗均随介质膜厚的增加而减小,光斑能量则随介质膜厚的增加更加集中于低阶传输模式。     

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.     

介质/金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性

理论分析了金属、介质/金属结构空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性.金属空芯光纤支持TE11模式,介质/金属空芯光纤的介质膜厚在取最优值时支持HE11模式.对于波长为200μm的太赫兹波,内径为1 mm的两种空芯光纤,TE11和HE11模式的损耗分别为8.4 dB/m和2 dB/m.为优化介质/金属结构宅芯光纤的传输性能,分析了金属和介质材料的光学常数对衰减系数的影响.基于几种已发表的金属在太赫兹波段的光学常数,计算结果表明铝是最好的选择;初步测量结果显示,在各种树脂材料中聚乙烯在THz波段吸收较小,并且其折射率接近介质膜的最优值1.41,为太赫兹波空芯光纤中介质膜材料的理想选择.     

吸收介质膜/金属空芯光纤的太赫兹波传输特性

介质/金属结构空芯光纤是一种有发展前景的太赫兹波传输媒质.介质膜在有效增加内面反射率从而降低传输损耗的同时,其材料吸收会引起附加损耗.讨论了介质材料吸收对太赫兹空芯光纤结构参数的影响.计算结果表明,相比于无吸收的理想介质,吸收介质的最优膜厚变小.最优折射率变大.综合考虑了光纤内直径、介质膜折射率和传输波长等因素,分析了介质膜的材料吸收容限.分析结果表明,吸收容限随光纤内直径减小或传输波长增大而减小.当光纤内直径很小或传输波长很大时,吸收容限可能不存在.分析结果对介质/金属太赫兹空芯光纤的设计和材料选择具有重要参考价值.     

太赫兹折叠波导慢波结构S参数特性

理论上分析了计算周期数对0.22 THz折叠波导慢波结构S参数的影响,讨论了折叠波导慢波结构各个尺寸参数对损耗特性的影响,研究了粗糙度与损耗特性之间的关系。通过实验验证了0.22 THz标准矩形直波导的损耗特性。对实际加工的0.22 THz折叠波导慢波结构进行了测试,得到了实际的太赫兹波折叠波导慢波结构传输与损耗特性。     

利用3D打印技术制备太赫兹器件

高性能的太赫兹器件在控制太赫兹波方面起到重要的作用,因此寻求一种简单有效的太赫兹器件加工方案非常必要。本文以太赫兹波导和太赫兹滤波器为例,分别选用Kagome型光子晶体结构的波导和一维光子晶体结构的滤波器,运用商用的3D打印机加工样品,并采用透射式太赫兹时域光谱系统对样品的参数进行测量。实验结果表明:加工的波导在0.2~1.0 THz范围内传输损耗平均值约为0.02 cm~(-1),最小值可达到0.002 cm~(-1),且可运用机械拼接的方式将多个波导进行简单的连接从而获得更长的波导而不引起严重的损耗;滤波器的透射谱在0.1~0.5 THz之间有两个明显高损耗带;这两组实验结果均与理论预计非常接近。本文运用太赫兹波导和滤波器的实例证实了3D打印技术加工太赫兹器件的可行性,将会成为获取性能可控、价格低廉的太赫兹器件的有效途径。     

频率色散表面阻抗对真空电子太赫兹源的影响

为了研究欧姆损耗对高频真空电子器件工作特性的影响,首先推导频率色散表面阻抗边界在三维共形粒子模拟软件UNIPIC-3D中的实现原理,并通过对有耗边界矩形谐振腔和圆波导进行模拟验证了该阻抗边界算法的正确性.采用有耗共形UNIPIC-3D模拟相对论太赫兹表面波振荡器和低电压平板格栅返波振荡器.模拟结果表明,对于表面波振荡器和平板BWO这种电磁场集中在金属慢波结构附近的太赫兹真空电子器件,欧姆损耗会对器件的运行带来极大影响,对于采用铜材料的器件,输出功率会下降一半左右,器件起振时间出现延迟,但器件工作频率几乎不变.为了提高相对论太赫兹表面波振荡器的效率,在二极管和慢波结构之间增加了反射腔,模拟结果表明,在考虑器件表面损耗的条件下,器件的工作频率保持不变,输出功率由41 MW提高到60 MW.     

环状烯烃聚合物基底材料的太赫兹复介电常数和损耗特性研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)已被用于研究包括液体,半导体,爆炸物和气体等多种材料。然而自由空间太赫兹光谱系统存在着一些检测局限性,如微量物质难以被检测、系统尺寸难以实现微型化、空气中水的强烈吸收引起的信号衰减较大等问题。为了解决这些问题,研究人员设计了基于金属波导传输线结构的太赫兹芯片集成器件,通过飞秒红外激光激励传输线上的光电导材料实现太赫兹波的产生和检测。然而,在这些芯片上传输的太赫兹信号的频谱宽度很难达到自由空间太赫兹时域光谱系统的频带宽度,一个重要原因是由于传输信号受到随频率增加的传输线损耗所导致的衰减。通常这些损耗主要由三个部分组成：导体损耗,介电损耗和辐射损耗。研究表明：使用低介电常数材料作为共面传输线的衬底,将减少这种介电常数的失配,从而避免冲击波辐射损失;使用具有低损耗角正切的基底材料可以减少太赫兹传输线的损耗。环烯烃聚合物(COP)是一种具有环状烯烃结构的非晶性透明共聚物的材料,在太赫兹波段具有很高的透射率,为了探究这种材料是否能用于共面传输线的衬底,需要通过太赫兹时域光谱技术和介电函数理论分析它在太赫兹频段的光谱和介电特性,以及对这种材料作为基底时用在太赫兹传输线的传输特性进行仿真计算分析。使用透射式太赫兹时域光谱系统,对三种COP、熔融石英和PMMA进行了光谱测试,提取了它们的透射时域信号,采用Dorney和Duvillaret等提出的物理模型计算复介电函数。实验表明：与其他两种材料相比,COP材料在1 THz处的透过率更高,可以达到94.5%,同时介电损耗和介电常数更低,其中介电损耗在1 THz处达到4.31×10-4,因此将COP作为传输线基底材料时能有效减少基底的介电损耗。同时COP材料的介电常数在0.2～2.8 THz范围内维持在约2.3的水平,也有效减弱了辐射损耗。对实验材料基底组成的共面波导传输线进行了HFSS模拟,获得了它们的正向传输衰减系数(S₂₁ parameter),并对由基底引起的介电损耗和辐射损耗进行了计算分析。模拟和计算结果也表明在同一传输线结构下,与其他材料相比COP作为基底时的损耗更小。通过太赫兹时域光谱法与介电响应分析,表明了在太赫兹波段具有较低介电常数的COP材料更适合作为太赫兹传输线结构的基底材料,它可以有效的降低因基底引起的介电损耗和辐射损耗。这为太赫兹传输线的设计过程中衬底材料的选择与应用提供了实验和理论依据。     

太赫兹波在飞行器等离子体鞘套中的传输特性

针对临近空间飞行器的黑障问题,根据模拟的RAM C-Ⅲ飞行器周围的流场分布结果,计算了等离子体电子密度和碰撞频率,并根据其分布建立了非均匀的等离子体模型。在此基础上,利用散射矩阵方法分析了太赫兹波在等离子体中的传输特性随着等离子体密度、等离子体厚度、等离子体碰撞频率的变化以及外加磁场对传输特性的影响。结果表明,太赫兹波的传输损耗随着等离子体电子密度和等离子体厚度的增加而增加,而碰撞频率的增加会使得透射率先减小后增加。在外加磁场的作用下,左旋太赫兹波的传输特性会得到改善;而对于右旋太赫兹波,磁场的施加会引入吸收峰,并且随着磁感应强度的增加向高频方向移动。     

介质镀膜空芯光纤在THz频段的传输特性

 理论分析了介质镀膜空芯光纤在THz频段的传输特性，得出了该光纤的特征方程及模式分布。利用射线光学原理计算了介质膜材料为聚酰亚胺、介质膜厚度为0.05 mm的光纤的衰减常数随介质膜内直径的变化情况。得出其主模在THz频段的衰减常数小于1 dB/m，该值远小于相同内径的金属圆波导在这一频段的衰减常数。模拟计算了介质膜厚度为0.05 mm、内径为1 mm，金属膜内径为1.05 mm的介质镀膜空芯光纤在0~1 THz的S参数，模拟结果显示该光纤在THz频段有很宽的通带，且在通带内衰减常数小于0.5 dB/m，可用于THz频段电磁波远距离传输。     

Nanofocusing of terahertz wave on conical metal wire waveguides

The nanofocusing of the terahertz (THz) radiation energy is studied. By using a conical metal nanowire waveguide, we focus the energy of the terahertz surface plasmon polaritons (THz SPPs) to several nanometers’ scale. Another interesting property of the THz SPPs propagation on the waveguide is that the peak electric field at the waveguide tip enhances many times. What is more, both the phase velocity and the attenuation coefficient versus the wire radius are obtained. The terahertz energy nanofocusing opens the way to observe terahertz propagating and imaging on the nanoscale.     

Investigation of THz Sommerfeld wave propagation on single-wire at different temperature

In this paper, THz Sommerfeld wave propagation on dielectrically coated cylindrical metal wire and conical metal wire is presented. The propagation characteristics of single wire are largely related to the characteristics of material being used, which may change significantly with the temperature variation. Then, the surface wave propagation along the THz wire waveguide is investigated by the numerical calculation from 0.1 to 1 THz at different temperature. The influences of different conductivity and different temperature on the propagation characteristics of the dielectrically coated cylindrical metal wire and conical metal wire are discussed, including electric field distribution, propagation loss and energy coupling characteristic. The analysis results release a fundamental characteristic for describing the THz surface wave propagation on single wire at different temperature, and moreover, the analysis results also suggest that the single wire is a promising THz waveguide and very useful for the space sensing at cryogenic temperature in future.     

Theoretical analysis of THz Sommerfeld wave propagation on metal wire at normal temperature

In this paper, THz Sommerfeld wave propagation on single bare metal wire and dielectrically coated metal wire waveguide is presented by the numerical calculation from 0.1 THz to 1 THz. The influences of different metal and different dielectric materials on the electric field distribution around the metal wire are analyzed. The characteristics of energy coupling in the coated metal wire with different metal and dimensions are also proposed. The analysis results release a fundamental characteristic for describing the surface wave propagation along the dielectrically coated metal wire at terahertz frequencies, and moreover, the analysis results also suggest that a simple dielectrically coated metal-wire can be used for terahertz applications due to its energy concentration, as compared to the single bare metal wire.     

Anomalous transmission of terahertz wave through one-dimensional lamellar metallic grating

The anomalous transmission through one-dimensional lamellar metallic gratings was investigated in terahertz (THz) regime. The extraordinary optical transmission (EOT) is identified to originate from two possible ways: coupling of incident light with waveguide resonances and coupling of surface plasmon polaritons (SPPs) at the upper and lower interfaces of metal grating. The dual effects of SPPs have been clarified in this study: (i) the excitation of SPP modes at each individual interface results in the weakness of the THz wave transmission; and (ii) the coupling of SPP modes at two interfaces of metal grating is attributed to enhancement of THz wave transmission. The enhanced transmission is dominated by the coupling of incident light with transverse waveguide resonances. Numerical simulation based on finite-difference time-domain (FDTD) agrees well with experimental results.     

0.22 THz折叠波导行波管初步实验研究

探索性试验了多种微加工技术加工设计频率0.22 THz的折叠波导慢波结构,最终选择了微铣削工艺进行加工,并测试了微铣削工艺加工的WR4标准直波导的损耗特性,得到了0.22 THz电磁波在无氧铜中传播时材料的相对电导率约为3.2107 S/m。以此为基础设计和制得了国内第一支0.22 THz折叠波导行波管,经过测试和标定得到输出功率大于100 mW,带宽3.5 GHz的初步实验结果。     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

0.8 THz再生反馈振荡器的仿真模拟研究

随着太赫兹技术的发展,高频率、大功率的太赫兹辐射源一直是国内外研究的热点。再生反馈振荡器作为一种新型太赫兹源器件,具有可行性高、功率大的优点。基于0.8 THz太赫兹波成像系统的需求,采用折叠波导慢波结构,对再生反馈振荡器进行设计与研究。首先对0.8 THz折叠波导慢波结构进行设计并使用CST微波工作室中的本征模求解器进行参数优化,再通过CST粒子工作室中的PIC仿真模块对整管进行热特性仿真,验证了方案的可行性,仿真结果显示,最终可产生60 mW的稳定输出信号。