基于光整流的太赫茲源與新型太赫茲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、太赫茲波介于微波與紅外線之間，是電磁頻譜中唯一尚未完全開發(fā)利用的頻段，也是當(dāng)前科學(xué)研究熱點(diǎn)之一。太赫茲技術(shù)在通信、雷達(dá)、安檢成像、生物醫(yī)學(xué)、頻譜分析等多個領(lǐng)域都具有重要的學(xué)科價值和廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為改變未來世界的十大技術(shù)之一。太赫茲輻射產(chǎn)生技術(shù)與太赫茲導(dǎo)波技術(shù)是太赫茲技術(shù)中最關(guān)鍵的核心技術(shù)，太赫茲源和導(dǎo)波器件也是太赫茲系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分。因此，為了加快太赫茲技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)太赫茲頻譜開發(fā)利用，急需對高效率高可靠性的太赫茲輻射源與低

2、損耗低色散的太赫茲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。本文對基于光整流方法的高功率寬帶太赫茲源與中心頻率可調(diào)的窄帶太赫茲源，介質(zhì)平板波導(dǎo)、金屬平行板介質(zhì)波導(dǎo)和石墨烯表面等離子激元波導(dǎo)的太赫茲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)展開深入研究，具體研究內(nèi)容包括：
　　1.基于光整流的高功率寬帶(準(zhǔn)單周期)太赫茲源的研究。分析了光整流產(chǎn)生寬帶太赫茲波的機(jī)理與相位匹配條件，針對LiNbO3晶體在光整流過程中無法實(shí)現(xiàn)共線相位匹配問題，研究了基于泵浦脈沖斜波前的非共線相位匹技術(shù)；搭建

3、了基于Echelon——離散型傾斜波前技術(shù)的寬帶太赫茲波產(chǎn)生平臺，當(dāng)泵浦脈沖能量為0.15mJ時，實(shí)測光整流產(chǎn)生準(zhǔn)單周期太茲波脈沖能量為0.012μJ，激光到太赫茲波的能量轉(zhuǎn)換效率約為8×10-5；搭建了基于光柵——連續(xù)型傾斜波前技術(shù)的寬帶太赫茲波產(chǎn)生平臺，當(dāng)泵浦脈沖能量為7mJ時，實(shí)測光整流產(chǎn)生準(zhǔn)單周期太赫茲波的峰值電場強(qiáng)度為150kV/cm(離軸拋物面鏡焦點(diǎn)處)，對應(yīng)頻譜的峰值頻率為0.5THz，帶寬為1.6THz，太茲波脈沖能量為

4、7μJ，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)1×10-3，與采用正常波前技術(shù)的光整流產(chǎn)生太赫茲波方法相比，能量效率提高了3個數(shù)量級。
　　2.基于光整流的中心頻率可調(diào)的窄帶(準(zhǔn)多周期)太赫茲源研究。分析了基于Chirp-Delay方法的窄帶太赫茲波產(chǎn)生機(jī)理，針對光整流方法產(chǎn)生窄帶太赫茲波容易出現(xiàn)中心頻率不穩(wěn)定的問題，根據(jù)兩束光傳播不同光程將產(chǎn)生特定相對時延的原理，設(shè)計(jì)了一個具有高相位穩(wěn)定性的時延產(chǎn)生器Etalon，保障了窄帶太赫茲源的頻率穩(wěn)定性；針對

5、窄帶太赫茲源光路調(diào)節(jié)較為困難的問題，通過在平移臺上引入一鏡對，使移動光柵對產(chǎn)生的光程增量恰好與鏡對產(chǎn)生的光程增量相互抵消，設(shè)計(jì)了一個具有自適應(yīng)光程補(bǔ)償功能的平行光柵對 Compressor，極大方便了光整流產(chǎn)生窄帶太赫茲波的光路調(diào)節(jié)與實(shí)驗(yàn)測試；采用LiNbO3波導(dǎo)作為光整流晶體，搭建了Compressor位于Pump支路與Compressor位于Probe支路兩種Chirp-Delay方案的準(zhǔn)多周期窄帶太赫茲波產(chǎn)生平臺。實(shí)驗(yàn)表明，這兩種

6、方案均能夠有效產(chǎn)生中心頻率可調(diào)的窄帶太赫茲波，且中心頻率可調(diào)范圍是0.25~1.2THz，帶寬約為100GHz。
　　3.基于介質(zhì)平板波導(dǎo)的太赫茲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)研究。采用模式匹配法分析三層平板波導(dǎo)在太赫茲波段的傳輸特性，得到導(dǎo)波場分布、色散方程，功率限制因子以及損耗系數(shù)的一般表達(dá)式，利用偏振門成像系統(tǒng)，對太赫茲波在 LiNbO3和 LiTaO3平板波導(dǎo)中的傳輸特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合；研究了同一片電光晶體薄片中實(shí)現(xiàn)太

7、赫茲波的產(chǎn)生、導(dǎo)波、探測與操控等功能，針對單純漸變結(jié)構(gòu)極易破碎的問題，提出基于帶空氣隙的LiTaO3晶體的錐形狹縫陣漸變平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究表明，這種結(jié)構(gòu)不僅可以有效提高樣品的機(jī)械性能，還能顯著提升在錐形尖端空氣隙中太赫茲波電場增強(qiáng)(5.5倍)與能量聚集能力。
　　4.基于金屬平行板介質(zhì)波導(dǎo)的太赫茲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)研究。針對金屬平行板波導(dǎo)的橫向場分布不集中的問題，結(jié)合介質(zhì)平板波導(dǎo)橫向場分布集中特點(diǎn)，提出一種新型太赫茲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)——金屬平行板介

8、質(zhì)波導(dǎo)(PPDW)，研究表明，PPDW有寬頻帶、低損耗、低色散及場分布集中及易于加工應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)；研究廣義金屬平行板介質(zhì)波導(dǎo)在太赫茲波段的傳輸特性，得到 TE模的場分布，色散方程，功率比例因子、損耗系數(shù)以及特性阻抗的一般表達(dá)式；設(shè)計(jì)出太赫茲波段的同軸—PPDW過渡器(仿真研究表明，在0.45~0.75THz頻段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)S11<-20dB，S21>-0.7dB，單個過渡器插損為0.18dB)、橋形PPDW3dB定向耦合器(仿真研究表明，該橋

9、形耦合器隔離度27dB，耦合損耗為0.9 dB，中心頻率為1THz，帶寬為12.5％，與常規(guī)PPDW耦合器相比，帶寬拓寬至4.2倍，尺寸縮小了61%)、PPDW濾波器等多種無源器件，在太赫茲電路與系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用潛力。
　　5.基于石墨烯表面等離子激元波導(dǎo)的太赫茲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)研究。獲取準(zhǔn)確的石墨烯電磁特性參數(shù)是研究石墨烯電磁傳輸特性的基礎(chǔ)，本文由Kubo公式出發(fā)，對太赫茲頻段石墨烯的電導(dǎo)率、等效介電常數(shù)以及電可調(diào)性等參數(shù)進(jìn)行表征，