THz波导中的模式调控机理研究

摘要

太赫兹波在电磁波谱中介于毫米波和红外波之间，具有与其它频段的电磁波不同的性质。在太赫兹科学的发展过程中，太赫兹波的传输是最为重要的一部分。除此之外，在一些重要的应用中需要对太赫兹波导内模式进行调控来实现特殊的功能，这不仅仅要解决太赫兹波的传输问题，还要深入研究波导结构对太赫兹波传输模式的影响。本论文针对太赫兹波导中模式调控这一关键的基础问题，设计具有周期性起伏结构的圆柱状太赫兹波导，并通过引入缺陷、波导复合和液晶调控等方法，探索变截面周期太赫兹波导内模式共振、局域化及模式转换的原理。论文的主要研究内容包含以下几个方面：
　　1、从理论上对太赫兹波在周期变截面波导中的传输机理进行研究。首先，分析了波导内布拉格共振及变截面波导中特有的非布拉格共振。两者都会引起谱带断裂，形成频域禁带，通过改变周期结构波导的几何参数可以控制通带和禁带的范围和位置。随后，分析了波导内三种模式之间的共振，三模共振能够抑制一阶模并透射出单一高阶模式。接下来提出用磁场敏感的向列型液晶在不改变波导参数的情况下调控单模透射频带的中心频率。
　　2、在周期变截面太赫兹波导中引入缺陷，研究了布拉格及非布拉格禁带中的缺陷态。研究发现两种缺陷态同时存在于波导中，随后分析了两种缺陷态的谱带结构、场分布及模式成分。在波导几何参数不变的情况下，分别讨论了缺陷长度和半径对缺陷态传输特性的影响，并提出了通过调整波导周期个数和周期性排列缺陷及波导结构两种方法调控缺陷态的带宽。最后，基于缺陷长度对缺陷态频率的控制，研究了缺陷长度对缺陷态的影响，发现了禁带中的多峰穿透。
　　3、通过复合波导结构，研究了布拉格及非布拉格界面态。通过多模共振条件设计了布拉格波导及非布拉格波导具有相同的禁带范围，随后将布拉格波导相互连接研究布拉格界面态，将布拉格波导与非布拉格波导相互连接研究非布拉格界面态。通过分析界面态的模式成分和场分布，可知界面态的形成过程伴随着能量的积累和局域模式的产生。后续的研究着重于界面态的调控，周期个数在界面带宽控制和能量积累中起着重要的作用；在复合波导连接处添加相位调整模块实现了界面态频率的调控。
　　总之，在太赫兹频段内，本文设计的周期变截面波导可实现禁带范围、单模透射范围的调谐。在此基础上，通过结构设计或复合波导来实现缺陷态及界面态的调谐。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文的主要研究内容及章节安排

第2章 THz圆柱形变截面周期波导中的模式共振

2.1 电磁波在圆柱形周期变截面波导中的传输

2.2 二模共振：布拉格共振及非布拉格共振

2.3 三模共振

2.4 本章小结

第3章 布拉格及非布拉格缺陷态

3.1 禁带中的缺陷态

3.2 缺陷态的模式分析

3.3 缺陷长度对缺陷态频率的影响

3.4 缺陷半径对缺陷态频率的影响

3.5 缺陷态带宽调控

3.6 禁带中的多峰穿透

3.7 本章小结

第4章 布拉格及非布拉格界面态

4.1 多模共振条件下的布拉格波导及非布拉格波导

4.2 布拉格界面态

4.3 布拉格和非布拉格界面态

4.4 界面态频率调控

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢