光导开关超短电脉冲传输及辐射的有限时域差分法研究

摘要

光导开关作为一种新型的超快光电子学技术，因其产生皮秒量级电脉冲具有极优良的电学特性，而被广泛应用于高功率超宽带脉冲产生与辐射等领域。近年来，由于光导开关在飞秒激光照射下可以产生宽带太赫兹电脉冲，因而在太赫兹技术领域中也有着非常重要的应用前景。 本文在分析国内外有关光导开关技术、光导太赫兹技术研究动态和时域电磁场研究理论进展的基础上，首先利用时频散射参数从传输线角度研究了光导开关超短电脉冲产生机理，进而利用电磁波有限时域差分方法(FDTD)深入研究了光导开关超短电脉冲的传输和辐射特性；设计并分析了光导开关超宽带天线；研究了光导太赫兹辐射控制的关键技术。 1.利用传输线瞬态理论分析了光导开关超短电脉冲产生电路；提出了一种光导开关等效电路模型，并根据该模型，首次利用时频散射参数方法研究了光导开关电脉冲传输特性，得到了相关参数对光导开关输出电脉冲性能的影响。 2.利用光导开关传输线的达朗伯行波解法，建立了FDTD中恒定偏压光导开关的边界条件及源设置方法，编写了相应的FDTD程序分析了普通型和Blumlein型光导开关脉冲电路传输的瞬态过程，得到了Blumlein线几何结构对输出脉冲特性的影响，提出了一种可以产生双极性电脉冲的光导开关传输电路。将漂移扩散电流密度方程耦合入FDTD方程，研究了光导开关超短电脉冲的产生和传输过程，分析了传输线电磁场与光导开关载流子浓度及电流密度等重要电参量的空间时间分布关系，获得了电磁场传输与光导开关特性的关系。提出了一种时域微扰法求解光导开关传输线脉冲产生的近似方法。 3.设计并利用电磁场有限时域差分方法研究了光导开关超宽带天线，得到了电磁场在天线中的瞬态传输过程，给出了时域远场分布等特性，以及不同光导开关脉冲参量下远场特性的比较。 4.提出了一种结构新颖的用于太赫兹波段的光导滤波透镜，其特点是将滤波和聚焦的性能结合为一体，能有效地在某个特定波段内聚焦光导太赫兹辐射脉冲的输出能量。并进一步设计了带通和带阻两种性能的滤波透镜，利用FDTD进行了数值研究，证明了设计的正确性。 5.设计制作了普通型光导开关微带线超短电脉冲产生器，并进行了实验研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 光导开关技术研究与进展

1.2光导太赫兹技术研究与进展

1.3本论文的主要工作

第二章光导开关超短电脉冲传输的理论研究

2.1 理想光导开关超短电脉冲的瞬态分析

2.2光导开关电路模型

2.3光导开关超短电脉冲的时频散射参数法研究

2.4本章小结

第三章有限时域差分方法简介

3.1有限时域差分方法及数值稳定性和收敛性

3.2吸收边界及常用激励源和S参数提取

3.3外推远区散射场

3.4本章小结

第四章光导开关超短电脉冲传输的有限时域差分法研究

4.1 光导开关FDTD中边界条件和初始条件的建立

4.2理想光导开关超短电脉冲传输的有限时域差分法研究

4.3光导开关表面阻抗模型的有限时域差分法研究

4.4光导开关耦合漂移扩散电流密度方程的有限时域差分法研究

4.5微扰法时域求解时变电导产生GHz电磁波脉冲研究

4.6本章小结

第五章 光导开关辐射的有限时域差分法研究

5.1 超宽带天线技术简介

5.2光导开关超宽带天线设计

5.3 光导开关超宽带天线辐射的有限时域差分法研究

5.4本章小结

第六章 光导THz辐射的有限时域差分法研究

6.1 大孔径光导THz天线辐射的有限时域差分法研究

6.2周期性层状介质滤波特性的有限时域差分法研究

6.3光导THz透镜滤波特性的设计与有限时域差分法研究

6.4本章小结

第七章光导开关超短电脉冲产生的实验研究

7.1 光导开关的设计

7.2普通微带型光导开关电路的设计

7.3普通微带型光导开关电路实验结果及分析

7.4小结

第八章结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目、完成的学术论文及获奖

附录