新型THz波导传输特性研究

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由于太赫兹波段具有的独特性质,其在成像、遥感、雷达探测、通信、化学和生物领域都有很好的应用前景,因此越来越多的人们专注于太赫兹技术的研究。THz波导作为太赫兹技术的一个重要方面,其研究也取得了一定进展,目前已有的THz波导主要分为三类:金属波导、光子晶体波导、光纤波导。每类波导的传输特性及用途不尽相同,其中光纤波导最具长距离传输的潜力。然而,大部分材料对THz波具有很强的吸收,为减小光纤波导的传输损耗,研究人员先后提出了实芯光纤、多孔光纤和空芯光纤。借鉴于对可见光和近红外光的光纤波导研究,一种新型的空芯kagome光子晶体光纤因其独特的传输特性被用于THz波导的研究,即较低的损耗和更宽的传输带宽,我们称具有此类传导机制的光纤为耦合抑制型光纤,该光纤大的纤芯孔径在研究光与物质相互作用、环境气体检测方面都有很好的应用。另外,基于飞秒激光成丝系统用于THz成像的研究成果,我们又提出了一种等离子体波导,研究了THz波在等离子体中的传输。  目前对耦合抑制型光纤的研究相对较少,尤其是在THz波段,对于等离子体波导的相关研究也还很少。本论文通过建立THz波段耦合抑制型光纤(THzICFs)和等离子体波导的模型,基于有限元法分别对其THz传输特性进行了数值仿真。本论文主要研究内容如下:  1、保持纤芯孔径基本不变,改变纤芯边界的形状,发现光纤限制损耗值随结构的变化而发生改变,主要表现为正六边形的纤芯边界具有较高的损耗,而圆内旋轮线的损耗则有明显下降;保持纤芯孔径基本不变,改变包层空气孔的形状,分别为正六边形、正十二边形、正二十四边形和圆形,而光纤的限制损耗则随着空气孔边数的增大而减小,由于正二十四边形和圆形很接近,从而表现了几乎相同的损耗和色散曲线;进而,通过对比以上结果,发现具有相同纤芯边界形状,不同空气孔边数的两光纤表现了相同的限制损耗和色散,从而得出结论:影响THz ICFs限制损耗的主要因素为纤芯边界形状。  2、基于包层为圆形空气孔的光纤结构,即在以上研究中表现出最低损耗的光纤结构,通过改变材料折射率和包层壁厚,光纤的低损耗窗口得到调谐,具有较低折射率或较小的壁厚时,光纤低损耗窗口变宽。  3、在飞秒激光成丝系统中,本文针对THz波在等离子体中的传输进行了研究,并将等离子体等效为一种新型的THz波导,研究了不同参数条件下,THz波在等离子体波导中的模场分布,并分析了等离子体波导对THz波的束缚能力。  本文分为六个部分。第一章主要包括THz技术及THz波导简介;第二章介绍微结构光纤的数值计算方法及耦合抑制型光纤的导光机制;第三章介绍THzICFs的损耗特性;第四章主要介绍影响THz ICFs带宽的因素;第五章介绍等离子体波导的特性;第六章是总结与展望。
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