太赫兹超常材料及应用

超常材料具有人工设计的结构,并有自然材料所不具备的超常物理性质。超常材料的电磁响应灵活可调,对太赫兹(THz)技术意义非凡。THz超常材料的实现和迅速发展为太赫兹技术的发展和应用带来了新的机遇。总结了THz波段超常材料的研究进展,包括THz波段超常材料的构造及制备、基于超常材料的THz波器件以及超常材料在THz波技术中的其他应用。     

太赫兹参量源研究进展

太赫兹参量源是一种激光驱动的太赫兹辐射源,它具有高相干性、可调谐、室温运转等优点。在简要介绍太赫兹参量源的基本原理后,重点总结了近年来国内外对太赫兹参量源的代表性研究成果,主要包括:1)太赫兹参量源中常用的几种非线性晶体,包括铌酸锂、磷酸钛氧钾、砷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷; 2)大单脉冲能量太赫兹参量源,主要产生方法包括使用垂直表面出射结构、使用环形腔、增加非线性晶体损伤阈值等,目前报道的最大单脉冲能量达到17μJ; 3)高平均功率太赫兹参量源,主要产生方法包括使用半导体激光器侧面泵浦激光器、兼顾提高泵浦光脉冲能量和脉冲重复频率等,目前报道的最大平均功率为367μW; 4)太赫兹参量源的理论模拟,主要包括以耦合波方程为基础的,分别针对太赫兹参量产生器、种子注入式太赫兹参量产生器、内腔泵浦与外腔泵浦太赫兹参量振荡器建立的理论模型。     

基于光子晶体的太赫兹微带贴片天线的设计

本文设计了一个以二维光子晶体为基底用于太赫兹无线通信的微带贴片天线（0.4-0.6Thz）。太赫兹波介于微 波和光频之间,占有很大的带宽,随着人们对通信质量的要求越来越高,太赫兹通信将成为必然趋势。用二维光子晶 体做基底,有抑制表面波,提高天线的方向性,增益和效率等特性。文章中设计的天线的带宽,增益和方向性分别达 到了31.7%,6.7DB 和8.5DBi,为未来短距离无线通信和太赫兹空间通信提供了参考。本文选用了CST 仿真软件。     

光子晶体光纤及其在太赫兹波段的应用

太赫兹(Terahertz, THz)技术作为一项非常重要的交叉前沿学科,给环境检测、生物医学、空间通信等领域带来了深远的影响,但因为THz波导传输性能的影响,THz技术综合发展仍然受到一定限制。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)作为一种新型THz波导,拥有无限单模特性、色散灵活可调、可控的非线性、高双折射等特性,极大的促进了THz技术的发展。首先根据PCF的结构特点总结了实芯PCF(Solid Core PCF, SC-PCF)和空芯PCF(Hollow Core PCF, HC-PCF)各自的发展历程、导光机理和光学特性;其次,梳理了用于THz波导的PCF存在的问题以及对应的解决方法;然后,着重介绍了PCF在THz时域光谱、THz传输与通信以及THz光纤耦合传感中的应用;最后,对PCF在THz技术的应用做了总结与展望。     

环烯烃聚合物太赫兹光子晶体光纤设计与制造

为降低传输损耗,在太赫兹波段采用具有低吸收损耗的环烯烃共聚物作为基质材料,设计了一种太赫兹光子晶体光纤。通过全矢量有限元法模拟仿真,对光子晶体光纤的损耗和频率的关系进行了分析计算。结果表明,这种光纤在太赫兹频段具有良好的传输特性,大大优于传统的金属波导,且该类型光纤还具备良好的弯曲性能,在太赫兹频段具有重要应用价值。     

宽带调谐光子晶体光纤多功能太赫兹器件

基于液晶分子的指向矢随外加电场改变而变化的特点,设计了一种新型电场调制液晶太赫兹器件。利用全矢量平面波展开法和光束传播法分别研究了光子晶体光纤的带隙位置和传输光谱的电场分布。同时,利用时域有限差分法计算了液晶分子指向矢随外电场的变化关系。结果显示该器件不仅可以在0.55 THz的宽带范围内实现开关功能,且具有耦合损耗低、消光比高等优点,消光比为30.78 dB。当太赫兹波的入射频率满足光纤的单偏振条件时,该器件还具有偏振控制功能,能够改变传输模式的偏振状态。     

太赫兹宽谱源的研究进展

太赫兹宽谱源是指能够产生较宽频谱覆盖范围的太赫兹辐射源,近年来其相关研究受到越来越多的关注。太赫兹宽谱具有能量低,穿透性强和频谱覆盖范围宽等优点,在生物和医学成像、安全检查、化学成分分析等领域具有很大的潜在应用价值,因此研究太赫兹宽谱源对于推动上述领域的进步具有重要的科学意义。本文基于光学辐射源、电子学辐射源、热辐射源这3种太赫兹宽谱源,从产生机理、研究进展以及未来发展趋势对这3种方法进行分析和总结,对比了各自的优、缺点和应用范围。     

基于二维光子晶体的光控分光比可调Y型太赫兹波分束器

在完整的二维三角晶格硅光子晶体中,引入线缺陷和非线性聚合物材料的点缺陷,利用线缺陷模和点缺陷模的耦合作用和非线性聚合物材料的三阶非线性克尔效应,提出了一种基于二维光子晶体的光控分光比可调Y型太赫兹波分束器。采用平面波展开法（PWM）和时域有限差分法（FDTD）,对分光比可调的太赫兹波分束器性能进行了研究。研究结果表明,通过改变控制光的光强,可实现两输出端口分光比可调的Y型太赫兹波分束器。此分束器可实现特定波长的太赫兹波分光,透射率达到98%以上,附加损耗低于0.087 dB,响应时间达到ps量级。该分光比可调的分束器将在未来太赫兹波通信中具有广阔的应用前景。     

强激光太赫兹辐射源研究现状与发展趋势分析

太赫兹源在无线通信、光谱学、生物医学成像和材料科学等领域具有极高的应用价值。近年来,对高品质强太赫兹源的需求更为迫切,而有效产生高品质强太赫兹源仍然是太赫兹科学中的关键科学问题。概述了几种激光太赫兹源的产生机制以及发展现状：非线性晶体可以高效率产生太赫兹源,但受到晶体能量损伤阈值限制,难于在超强激光条件下工作;气体等离子体太赫兹源可以突破电离阈值的限制,但太赫兹能量会随着激光强度的升高而饱和,无法进一步提升太赫兹的场强;固体靶等离子体是相对论电子在等离子体中动力学行为产生的超强太赫兹辐射,并且可以通过结构靶等方式调制太赫兹品质,有望高效率地产生高品质强太赫兹源。最后,总结和展望了太赫兹源在应用领域的发展趋势。     

太赫兹波导器件研究进展

近年来,太赫兹科学技术的发展极为迅速。与此同时,以波导为基础的、用于太赫兹传输的器件应运而生,其中主要包括：太赫兹金属波导、太赫兹光子晶体波导、太赫兹光子晶体光纤、太赫兹聚合物波导、太赫兹塑料带状波导、太赫兹蓝宝石光纤等。为此,就国际上太赫兹波导器件方面的研究进展和最新动态进行了较详细的分析和归纳总结。     

锥台型光子晶体在太赫兹波段的透射特性

设计一种工作于太赫兹波段的锥台型光子晶体,利用CST软件研究了光子晶体的禁带特性。通过在0.3~1 THz范围内进行模拟仿真得出,锥台型光子晶体存在光子禁带。与普通的圆柱形光子晶体进行了对比,并对不同的参数进行仿真发现:禁带范围会随着参数的改变而整体移动,其中取锥台顶部半径0.05~0.1 mm间隔0.01 mm,发现随着锥台顶部圆的半径的减小,禁带向高频方向移动。取晶格常数0.2~0.3 mm间隔0.05 mm发现随着晶格常数的增大会使禁带向低频方向移动。研究结果为太赫兹光子晶体波导研究提供理论依据。     

液晶在光隔离技术中的应用研究

利用手性液晶的Bragg选择反射特性,理论分析了液晶在光隔离技术中的应用可能性.实验结果证实,液晶光隔离器对单色光具有较好的光隔离特性(光隔离度＝13dB)和较高的正向透过率(插入损耗＝1dB),在大口径光隔离器的制造上具有重要的应用价值.     

基于二维光子晶体的多频段太赫兹波滤波器研究

基于二维光子晶体,提出一种多频段 太赫兹(THz)波滤波器。在光子晶体中引入3条平行的横向波导,通过改变介质柱的半 径或插入半径较小的介质柱在 相邻波导之间构成耦合区域,使特定频率的THz波从中部波导耦合至上、下侧光子晶体波 导并分别从端口2和1输出, 其余的THz波经中部波导从端口3输出,最终达到多频段滤波的效果。利用时域有限差 分法和平面波展开法对所提出 的器件计算和仿真结果显示,频率为f=3.24和3.75THz的THz波分 别从端口1、2和3输出中,传输效率分 别达到95%和99% ,表明本文结构能很好实现多频段滤波效果。     

太赫兹波导发展现状与展望

太赫兹波具有良好的穿透性、低能性和宽带性,在高速空间通信、环境监测、外差探测、医学探测、无损检测和国防安全等领域具有重要的应用前景。波导传输技术和功能器件是太赫兹系统不可或缺的重要组成部分,太赫兹波导的性能决定了太赫兹系统的信号传输效率和集成度,引起人们的研究兴趣。近年来,太赫兹波导的发展取得了长足的进步,从普通的金属空心波导到金属线波导、介质光纤,再到最近的人工表面等离激元波导、石墨烯、铌酸锂等新型波导,它们展现出了各自的优势,令人振奋。该综述全面介绍了太赫兹波导领域的发展及研究近况,并对其未来应用进行了展望。     

太赫兹光子晶体光纤与天线设计

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料为基质,设计了一种空芯多孔包层结构的太赫兹光纤,中心的大孔缺陷用于传输太赫兹波,周围四层小孔可以将太赫兹波的传播限制在缺陷内部。利用COMSOL软件对光纤的损耗特性进行仿真分析发现,光纤在0.6 THz的泄露损耗低于0.1 dB/m,具有良好的传输特性。和金属波导口可以当作天线辐射电磁波的原理相似,光纤的端面也可以作为天线将内部传输的太赫兹波向外辐射,通过仿真分析,天线在0.59~0.61 THz的回波损耗低于-25 dB,方向性系数大于20 dB,半功率波束宽度约为13。     

0.2 THz频段的光子晶体微带天线研究

将缺陷型一维光子晶体应用在微带天线上,设计了一款工作在0.2 THz 频段处的光子晶体微带天线,并且利用基于有限元法的三维电磁仿真软件 HFSS 以及软件 Origin 进行模拟仿真及作图。研究表明：光子晶体微带天线的增益可以达到9.3 dB,与普通微带天线相比增益增加了2.5 dB。并且讨论了光子晶体的周期层数对微带天线的影响,发现光子晶体周期层数为3层时,天线的回波损耗最低。然后以周期层数为3层的光子晶体微带天线为例,讨论了不同的光子晶体与微带天线的距离对天线的增益和回波损耗的影响。     

太赫兹波与光子晶体光纤的单透镜耦合研究

文章在设计低损耗太赫兹光子晶体光纤的基础上,利用光学设计软件 Zemax 设计了一种焦距为24.80 mm、厚度为2.00 mm、有效孔径为6.25 mm的Topas COC(环烯烃共聚物)太赫兹单透镜。该透镜能有效提高太赫兹光束与波导的耦合,耦合效率可达75.01%。运用Zemax和 Matlab软件分析了太赫兹波导与耦合系统在对接出现误差情况下对耦合效率的影响,并分别给出了存在横向偏差与角度偏差情况下的耦合效率变化曲线。研究结果可为太赫兹传输技术提供理论参考。     

含负折射率材料的一维光子晶体掺杂后的滤波特性

利用转移矩阵法,研究了含负折射率材料的一维光子晶体掺杂后的滤波性质。结果表明,这种结构可以同时实现窄带滤波和大范围宽带滤波的双重功能,宽带滤波的频率范围可以通过改变材料的折射率进行调节。研究还发现,结构的透射谱对入射角的变化很敏感,入射角增大时,通带向高频区移动;当负折射率材料具有色散时,宽通带的高度降低。