太赫兹特殊光束的产生及其在太赫兹通信和成像中的应用

摘要

太赫兹科学与技术是一个发展迅速的前沿学科，在无损检测、人体安检、无线通信等领域的应用前景已经初现端倪。近年来，对光场振幅和相位的调制是光学领域的研究热点。经振幅或相位调制产生的特殊光束以涡旋光束和贝塞尔光束为代表，具有独特的传输特性。涡旋光束在传播过程中其相位波前呈现螺旋形，光场中每个光子具有特定的轨道角动量。轨道角动量作为电磁波的一种全新自由度应用在通信系统中能够大幅度提高通信容量。贝塞尔光束具有无衍射、长焦深的特点，应用在成像系统中可以实现焦深扩展。在太赫兹波段应用波前调控的原理获得太赫兹特殊光束，可以为太赫兹成像和通信的研究提供新的思路。
　　本论文在太赫兹波段开展对涡旋光束和贝塞尔光束的研究，实现了太赫兹涡旋光束和太赫兹贝塞尔光束的产生，并研究分析了它们在太赫兹成像和通信领域的应用。主要内容如下：
　　(1)提出使用相位波板产生太赫兹特殊光束的方案。由相位板的几何结构出发，从几何光学、衍射传播、电磁仿真三方面对太赫兹光束通过相位波板的传输过程进行理论研究。进一步使用3D打印技术制作螺旋相位板和轴棱锥。通过测量产生光束的传播特性，表明3D打印的相位波板可以高效可靠的获得太赫兹涡旋光束和太赫兹贝塞尔光束。
　　(2)将涡旋光束应用在太赫兹通信领域，完成了基于轨道角动量的太赫兹通信系统的原理性证明实验。利用螺旋相位板实现了轨道角动量态的精确产生、利用波前重构法实现了轨道角动量态的有效检测。设计了基于硅基石墨烯的光控太赫兹强度调制器，为未来基于OAM复用的太赫兹通信系统提供了可行的方案。
　　(3)对太赫兹计算机层析成像技术进行了仿真和实验研究。搭建了一套成像装置，结合重建算法对一些典型样品进行三维成像，获得了样品的内部结构信息。进一步分析成像装置中太赫兹光束的空间传播情况对重建图像的影响，提出了一套基于太赫兹光束传播模型的重建算法。
　　(4)对贝塞尔光束在太赫兹成像系统中的应用进行了实验研究。利用轴棱锥获得太赫兹贝塞尔光束，并应用在太赫兹透射式二维成像系统以及太赫兹计算机层析成像和太赫兹调频连续波成像两种典型的三维成像系统中。通过比较分析贝塞尔光束和聚焦高斯光束的成像效果，表明贝塞尔光束具有较长的无衍射区域，可以实现太赫兹成像系统的焦深扩展。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 太赫兹成像的研究进展

1.3 太赫兹通信的研究进展

1.4 论文主要内容及创新点

2 太赫兹特殊光束原理

2.1 涡旋光束的基本原理

2.2 贝塞尔光束的基本原理

2.3 相位波板产生太赫兹波段的涡旋光束和贝塞尔光束

2.4 本章小结

3 太赫兹波前调控理论与特殊光束产生

3.1 太赫兹波段的波前调控

3.2 基于人工超表面产生太赫兹涡旋光束

3.3 基于3D打印技术制作太赫兹相位调制器件

3.4 3D打印的相位波板产生太赫兹特殊光束

3.5 本章小结

4 基于轨道角动量的太赫兹通信研究

4.1 OAM应用于太赫兹通信的基本原理

4.2 工作在0.1 THz的太赫兹OAM通信实验

4.3 工作在0.3 THz的太赫兹OAM通信实验

4.4 太赫兹OAM的分离和检测

4.5 基于光控石墨烯调制器的太赫兹FSO通信系统

4.6 本章小结

5 太赫兹计算机层析成像的研究

5.1 THz-CT成像的基本原理和重建算法

5.2 THz-CT成像系统的设计与参数分析

5.3 THz-CT成像系统的实验结果分析

5.4 THz-CT中太赫兹光束的建模分析

5.5 本章小结

6 基于贝塞尔光束的太赫兹成像研究

6.1 基于贝塞尔光束的太赫兹二维成像系统

6.2 基于贝塞尔光束的太赫兹计算机层析成像系统

6.3 基于贝塞尔光束的太赫兹调频连续波成像系统

6.4 本章小结

7 总结和展望

7.1 全文总结

7.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 论文中的缩略词的含义