發(fā)布時(shí)間：2020-05-07 13:27

【摘要】：太赫茲科技在無(wú)線通信、安全監(jiān)測(cè)、非破壞性成像、傳感等方面具有很大的應(yīng)用前景。這些廣泛的應(yīng)用都基于多種多樣的太赫茲功能器件。其中一個(gè)最基本最重要的器件就是太赫茲波導(dǎo)。顧名思義,太赫茲波導(dǎo)是用來(lái)指導(dǎo)太赫茲波傳輸?shù)?可以把太赫茲波從一個(gè)地方傳輸?shù)叫枰竭_(dá)的另一個(gè)地方。研究人員目前對(duì)此正在進(jìn)行廣泛且深入的研究,提出了各種各樣的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),以及許多基于太赫茲波導(dǎo)的功能器件。根據(jù)導(dǎo)波材料的不同,在太赫茲波段主要有三種類型的波導(dǎo):1、金屬波導(dǎo),2、金屬-電介質(zhì)波導(dǎo),3、純電介質(zhì)波導(dǎo)。波導(dǎo)的傳輸損耗是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。除此之外,波導(dǎo)耦合也是一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。本博士論文研究了太赫茲波在波導(dǎo)中的傳輸與耦合現(xiàn)象。提出了基于平行平板金屬波導(dǎo)的太赫茲T形腔的消逝共振模模型,對(duì)其共振特性進(jìn)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(dǎo)和純電介質(zhì)波導(dǎo)研究的基礎(chǔ)上,提出了新的太赫茲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。研究了該種新型波導(dǎo)的余弦-高斯模的傳輸損耗以及與高斯光束的耦合問(wèn)題。最后設(shè)計(jì)了一個(gè)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(dǎo)的耦合效率。本博士論文主要工作有以下三點(diǎn):1.提出了基于平行平板金屬波導(dǎo)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(duì)于基于平行平板金屬波導(dǎo)的T形腔,其功率透射譜有一個(gè)透射谷,在共振處透過(guò)率幾乎為零。這個(gè)特點(diǎn)使其在傳感和濾波方面具有重要應(yīng)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(gè)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(gè)消逝波組成。由于平行平板波導(dǎo)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(fù)雜的關(guān)系。理論的共振頻率、共振電場(chǎng)與模擬的符合得很好。該工作有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn):(a)消逝共振模模型能很好地解釋T形腔的共振現(xiàn)象。當(dāng)激發(fā)TE_2類消逝共振模時(shí),由于平行平板波導(dǎo)基模之間的正交性,入射的TE_1本征模無(wú)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(méi)有能量透射過(guò)去。(b)共振頻率與T形腔的幾何參數(shù)之間具有復(fù)雜的關(guān)系。平板間距對(duì)共振頻率具有很大的影響,槽的寬度對(duì)共振頻率具有很小的影響,槽的深度對(duì)共振頻率幾乎沒(méi)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(yù)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(dǎo)的余弦-高斯模在太赫茲波段,矩形金屬波導(dǎo)的TE_(01)模具有較低的損耗。然而,其模式場(chǎng)在一個(gè)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。基于矩形金屬波導(dǎo)的TE_(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(dǎo)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(duì)其特性進(jìn)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(shí)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(shí)具有較低的傳輸損耗。該工作有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn):(a)根據(jù)光纖基模的高斯近似分析方法和矩形金屬波導(dǎo)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(dǎo)的本征方程。并數(shù)值求解了其模式場(chǎng)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(gè)方向上高斯形的場(chǎng)分布導(dǎo)致金屬邊界上電場(chǎng)的場(chǎng)值相對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)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(shè)計(jì)了用于提高高斯光束到雙曲線金屬波導(dǎo)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(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的場(chǎng)增強(qiáng)和聚焦。但是雙曲線形金屬波導(dǎo)的本征模具有橢圓偏振的電場(chǎng),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(dǎo)可以把矩形金屬波導(dǎo)的TE_(01)模絕熱地轉(zhuǎn)化成雙曲線波導(dǎo)的橢圓偏振模。根據(jù)WKB近似,在緩慢的變化過(guò)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(dǎo)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(gè)創(chuàng)新點(diǎn):(a)矩形金屬波導(dǎo)的TE_(01)模被絕熱地轉(zhuǎn)化成雙曲線形金屬波導(dǎo)的橢圓偏振模。(b)通過(guò)橢圓-雙曲線形連接器,高斯光束與雙曲線形金屬波導(dǎo)的耦合效率被大大提高。本論文包含了我們?cè)谔掌澖饘俨▽?dǎo)方面的研究工作,重點(diǎn)闡述了基于平行平板金屬波導(dǎo)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(dǎo)的余弦-高斯模的特性、高斯光束通過(guò)橢圓-雙曲線形連接器與雙曲線金屬波導(dǎo)的耦合。這些研究成果在濾波器,傳感器,波分復(fù)用等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O441.4

【參考文獻(xiàn)】

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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(hào)：2653044