太赫兹波段光束橾控器件的研究

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太赫兹波介于微波段和红外光波段之间,其所在位置的特殊性使其具有一些独特的性质,诸如指纹特性、强穿透性等,因而太赫兹技术在传感、成像、安全检查等方面都有重要的研究意义。本文主要对工作在太赫兹波段的基于金属波导结构或超材料结构的四类光束操控器件进行了研究和探讨,所做的研究工作具体如下:(1)设计并验证了三种不同参数的基于金属平板波导的类贝塞尔光束发生器,工作在0.3 THz。所设计的类贝塞尔光束发生器均由41个铜制金属平板对称式平行排列组成,尺寸由相位调控原理确定。通过仿真验证了该设计的可行性,并发现设计的锥角越小,入射高斯光束的束腰半径越大,所得到的类贝塞尔光束的最大准直距离越大,可达200 mm,优于常规锥形镜100 mm的最大准直距离。这种类贝塞尔光束发生器设计原理简单,根据需求可以进行灵活设计,可应用在高分辨率成像、光学微操作等领域。(2)基于金属平板波导和异常透射原理设计了一种太赫兹光谱仪,并通过光学仿真实验进行了验证,该光谱仪设计波长为0.3 THz,由21个沿x轴的宽度逐渐递减的铜制金属平板组成。当异常透射现象发生时,光束的出射位置会随入射太赫兹波波长的改变而发生变化,通过确定二者之间的二次函数关系便实现了其分辨太赫兹光谱的功能。此外,通过仿真发现当偏振角在0-10°的小范围内变化时,具有偏振无关的特点。该设计的结构简单、易于实现,为太赫兹光谱仪的实现提供了新的思路。(3)设计并制作了一种焦距为20 mm的工作在太赫兹波段的基于金属平板波导的聚焦透镜,通过仿真和实验均成功验证了该透镜的线聚焦作用。该聚焦透镜共包含22个平行对称排列的铜制金属平板和两个平板波导阵列支架,实验(1)利用金属铜制作了金属平板,尺寸为23.2 mm×24 mm×1 mm,实验(2)选用铝合金制作金属平板以改善加工中氧化和精度不够的问题,尺寸为23.2 mm×54 mm×1 mm,两次实验均利用基于返波管振荡器的太赫兹扫描成像系统测试聚焦效果。所提出的聚焦透镜具有易于制作、成本较低等优点,对太赫兹器件、太赫兹光学系统的进一步发展具有一定的研究价值。(4)设计并验证了一种基于掺杂硅的可调的太赫兹超材料宽带吸波器,在0.86-2.00 THz的范围内的吸收率均大于90%,并研究发现该吸波器的宽带高吸收源于电偶极子和磁偶极子的混合模式的共振作用。此外,通过仿真实验验证了该吸波器偏振不敏感、入射角度不敏感的特点,并利用泵浦光束实现了吸波器的可调响应。该超材料吸波器材料单一、性能优良且吸波效果可调,为后续可调吸波器的相关研究提供了新的方案。
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