基于SE-TPO辐射源的太赫兹波空心光纤设计研究

摘要

THz波是指频率从0.1THz～10THz范围内的电磁辐射，由于其优越的特性和重要的学术价值近十多年来越来越多地受到人们的关注。在THz的研究领域中，研制高功率的辐射源是开展其他应用研究的基础，而低损耗的传输系统则成为THz波能否走向应用的关键。因此，本文通过分析SE-TPO的输出特性及波束的空间分布情况，研究了适合SE-TPO光波传输的空心THz光纤。具体的研究工作如下：
　　 (1)介绍了THz光波导方面的研究现状，对SE-TPO的输出特性及波束的空间分布的有关测试结果进行了分析。针对SE-TPO的输出特性及太赫兹波空间分布，对用光纤传输SE-TPO波束的可行性进行了讨论。对所设计半径0.7mm的太赫兹光纤在0.5THz～3THz频段的传输特性进行了数值分析。
　　 (2)分析了THz空心光纤的导光机理。结合光纤的模式结构和归一化表面阻抗的关系，研究了衰减常数的影响因子，给出了光纤中几个低阶模的衰减常数随频率以及材料参数的变化关系。
　　 (3)基于电磁模式的特征方程，利用边界阻抗法对空心光纤的金属膜厚和介质膜厚对传输的影响进行了研究。结果表明：对于金属膜，最佳的金属膜厚应控制在大约2.5个趋肤深度。对于介质膜，当不考虑介质吸收时，传输损耗随其厚度呈周期性变化，且在各个不同膜厚的谷值相等；考虑到介质吸收后，损耗的谷值随膜厚的增加而增大。
　　 (4)对介质膜吸收容限进行了研究。当光纤尺寸一定时，介质膜的消光系数nk决定着介质/金属太赫兹空心光纤性能的优劣。给出了nk所能取得的最大值kt随波导内半径T、介质膜折射率nd、波长以及金属膜折射率的变化关系。
　　 (5)分析表明，对多层介质膜/金属结构的。THz光纤，随着介质膜层数的增多，各阶模的损耗均有不同程度的减小，减小程度与交替镀膜材料的折射率有关，两种材料的折射率差值越大，损耗越小。对于TE0q模，只有当层数达到5层以上时，才能得到比无介质膜时更小的损耗；而对于其他模，损耗比无介质膜时要小。