一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器的制造方法
【專利摘要】一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器，涉及太赫茲。設(shè)有錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)、兩側(cè)金屬板和空氣隙；錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)下底面尺寸為a1×b1，上底面尺寸為a2×b2，其中a2≤a1，b2≤b1，二者不同時取等號，高度為h1；兩側(cè)金屬板緊貼在錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)的兩側(cè)面，兩側(cè)金屬板的形狀與相連著錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)側(cè)面相一致，兩側(cè)金屬板的厚度大于相應(yīng)頻段太赫茲波的趨膚深度；空氣隙位于錐形漸變波介質(zhì)波導(dǎo)上底面尖端中心，空氣隙與直角坐標系xoz面平行且與兩側(cè)金屬板不相交；空氣隙的厚度為t，高度為h2，寬度與錐形尖端的長度b2相等，t<b2，h2<h1。損耗低、反射小、頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工。
【專利說明】一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及太赫茲，特別涉及一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器。

【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波(Terahertz waves) 一般是指頻率范圍為0.1?ΙΟΤΗζ的電磁波,對應(yīng)的波長范圍為3?0.03mm,介于微波和紅外線之間，處于宏觀電子學和微觀光子學的交叉區(qū)域。由于所處的電磁頻譜位置特殊，太赫茲波具有一系列獨特的性質(zhì)如寬瞬時帶寬、高信噪t匕、低輻射能量、對無極化物質(zhì)有很強的穿透性等，在許多領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力；尤其是具有高電場強度的太赫茲波，在太赫茲非線性光學、太赫茲光譜學、高次諧波產(chǎn)生、近場太赫茲成像、雷達、通信、電子對抗等領(lǐng)域都具有十分重要的學科價值和廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]近年來，國內(nèi)外太赫茲源方面的研究發(fā)展極為迅速，涉及:固態(tài)倍頻源、返波管、耿氏振蕩器、量子級聯(lián)激光器、自由電子激光器等電子學太赫茲源和采取光整流、光混頻、光差頻、光電導(dǎo)、光參量、Cherenkov輻射效應(yīng)等方法的光子學太赫茲源。然而，目前常見的室溫太赫茲源的輻射電場強度往往較小，如何進一步提高太赫茲電場強度是當前太赫茲技術(shù)研究的一個關(guān)鍵問題。就具有較高的轉(zhuǎn)換效率、較寬的調(diào)諧范圍、較好的相干性的光整流太赫茲源而言，通過采用離軸拋物面鏡對來準直聚焦光整流太赫茲源所輻射出的太赫茲波，能夠獲得太赫茲波電場強度約kV/cm?1.2MV/cm量級，但由于受到光學衍射極限的限制，拋物面鏡無法使太赫茲波的波斑半徑聚焦至Θ)以下，故難以獲得更高的太赫茲波電場強度。為了突破傳統(tǒng)光學的衍射極限限制，研究人員提出金屬錐形漸變結(jié)構(gòu)、超材料等多種具有亞波長尺度的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)太赫茲電場增強，然而這類導(dǎo)波結(jié)構(gòu)卻往往存在太赫茲波耦合效率低下的問題。因此，尋求具有高耦合效率、性能優(yōu)良的新型太赫茲電場增強結(jié)構(gòu)，就顯得尤為迫切。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于為了能夠高效耦合太赫茲波并實現(xiàn)較高的電場增強效應(yīng)，提供一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器。
[0005]本實用新型設(shè)有錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)、兩側(cè)金屬板和空氣隙；
[0006]所述錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)下底面的尺寸為aiXbi，上底面的尺寸為a2Xb2，其中a2 ( a1； b2 ( h，二者不同時取等號，高度為h ;兩側(cè)金屬板緊貼在錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)的兩側(cè)面，兩側(cè)金屬板的形狀與相連著錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)側(cè)面相一致，兩側(cè)金屬板的厚度大于相應(yīng)頻段太赫茲波的趨膚深度；空氣隙位于錐形漸變波介質(zhì)波導(dǎo)上底面尖端中心，空氣隙與直角坐標系xoz面平行且與兩側(cè)金屬板不相交，空氣隙的厚度為t，空氣隙的高度為h2，空氣隙寬度與錐形尖端的長度b2相等，其中，t〈b2，h2<h10
[0007]所述錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)可采用高介電常數(shù)錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)，高介電常數(shù)ε d > 2。所述錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)的四個側(cè)面可呈直線型、拋物線型、雙曲線型或多項式階梯型漸變。
[0008]所述兩側(cè)金屬板可采用銀板、銅板、金板或其它良導(dǎo)體板，兩側(cè)金屬板可采用壓合、鍍膜或其它工藝制作而成；所述兩側(cè)金屬板的形狀與緊貼著的錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)側(cè)面形狀相匹配，也呈直線型、拋物線型、雙曲線型或多項式階梯型漸變。
[0009]所述空氣隙具有亞波長尺寸。
[0010]本實用新型的有益效果如下:
[0011](1)本實用新型具有損耗低、反射小、頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等優(yōu)點。
[0012](2)本實用新型能夠克服傳統(tǒng)光學聚焦方法存在衍射極限的限制、金屬型錐形漸變結(jié)構(gòu)與超材料結(jié)構(gòu)等導(dǎo)波結(jié)構(gòu)存在耦合效率低的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率的太赫茲波耦合饋入和較大的電場增強效應(yīng)輸出。
[0013](3)本實用新型可與產(chǎn)生太赫茲波的非線性晶體進行一體化設(shè)計，用于實現(xiàn)高場、聞效的太赫茲源。
[0014](4)本實用新型提出一種簡單、高效并具有一般性的太赫茲波電場增強方法；利用此方法，通過適當比例放大、縮小模型尺寸，本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)微波、毫米波、遠紅外或其它波段的電磁波的電場增強。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型實施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本實用新型實施例的yoz截面示意圖。
[0017]圖3為具有波導(dǎo)耦合饋入的本實用新型實施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4為本實用新型實施例與其對比結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強效應(yīng)的仿真曲線。

【具體實施方式】
[0019]以下實施例將結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0020]參見圖1和2，本實用新型實施例設(shè)有錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1、兩側(cè)金屬板2和空氣隙3。錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1的材料為高介電常數(shù)材料(ε d > 2)，下底面尺寸為hXbi，上底面尺寸為a2Xb2(a2 ( a1； b2 ( h，二者不同時取等號)，高度為h ;兩側(cè)金屬板2緊貼在錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1的兩側(cè)面，其材料為銀、銅、金或其它良導(dǎo)體，形狀與相連著介質(zhì)波導(dǎo)側(cè)面相一致，厚度大于相應(yīng)頻段太赫茲波的趨膚深度，可由壓合、鍍膜或其它工藝制作而成；空氣隙3位于錐形漸變波介質(zhì)波導(dǎo)上底面(尖端)中心，其與直角坐標系X0Z面平行且與兩側(cè)金屬板2不相交，厚度為t(t〈b2)、高度為hdhyh)、寬度與錐形尖端的長度b2相等。
[0021]所述錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1的四個側(cè)面呈直線型、拋物線型、雙曲線型或多項式階梯型漸變；所述兩側(cè)金屬板2的形狀與緊貼著的錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)側(cè)面形狀相匹配，也呈直線型、拋物線型、雙曲線型或多項式階梯型漸變；所述空氣隙3具有亞波長尺寸。
[0022]本實用新型的工作原理如下:
[0023]通過介質(zhì)波導(dǎo)、金屬波導(dǎo)或其它形式波導(dǎo)直接耦合的方式，將y方向極化的太赫茲波饋入到本實用新型的錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1的底面；太赫茲波沿著介質(zhì)波導(dǎo)1向其錐形尖端傳輸，由于兩側(cè)金屬板2能夠有效抑制側(cè)向輻射,隨著橫截面尺寸減小,太赫茲波的波斑將逐漸縮小、電場強度將逐漸增強；同時，由于錐形尖端處亞波長空氣縫隙3存在，根據(jù)電位移矢量在空氣隙與介質(zhì)波導(dǎo)分界面上連續(xù):Dd = Dair,即ε d Ed = ε air E&，使得太赫茲波的電場強度在具有較低介電常數(shù)、亞波長尺寸的空氣隙3中得到進一步增強；因此，本實用新型能夠高效耦合太赫茲波并實現(xiàn)較高的電場增強效應(yīng)。
[0024]根據(jù)本實用新型的一個實施例如圖3所示，錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1的材料采用具有較大的介電常數(shù)LiNb03晶體(ε m?25.9)，其下底面邊長=匕=600 μ m,上底面邊長a2 = b2 = 30 μ m,高度為h = 1500 μ m，且LiNb03晶體光軸方向為y方向；錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1兩對側(cè)面均采用直線型漸變方式；緊貼在錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1上的兩側(cè)金屬板2，其材料為金，厚度為1 μ m，可采用鍍金工藝制作；空氣隙位于錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)1的尖端，空氣隙具有亞波長尺寸，其高度為h2 = 10(^111，厚度為〖=10 μ m，寬度與上錐形尖端的長度b2相等為30 μ m,且其與直角坐標系xoz面平行；y極化方向的太赫茲波通過底邊長為ai = h1=600 μ m、高度為hQ = 100 μ m的兩側(cè)鍍金的LiNb03矩形介質(zhì)波導(dǎo)4，耦合饋入到LiNb03錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)底面，并沿著該導(dǎo)波結(jié)構(gòu)向其錐形尖端傳輸。本實施例的兩個對比結(jié)構(gòu)為具有相同尺寸的LiNb03晶體錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)和兩側(cè)鍍金的晶體錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，圖4為太赫茲波歸一化電場增強效應(yīng)與沿z軸傳輸距離關(guān)系的仿真結(jié)果，對于無空氣隙、無鍍金的LiNb03晶體錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，在接近其尖端處能夠獲得約4倍的太赫茲電場增強效應(yīng)，如圖4曲線5所示；對于無空氣隙、兩側(cè)鍍金的LiNb03晶體錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，在其尖端處的電場增強效應(yīng)得到較大的提升，達11倍，如圖4曲線6所示；對于帶空氣隙、兩側(cè)鍍金本實施例，在其尖端處的電場增強效應(yīng)得到進一步提升，達34倍，如圖3曲線7所示；其原因在于兩側(cè)金屬板能夠有效抑制側(cè)向輻射、提高太赫茲波的約束性，隨著橫截面尺寸減小，太赫茲波的波斑將逐漸縮小、電場強度將逐漸增強；同時，由于尖端處亞波長空氣縫隙存在，根據(jù)電位移矢量在空氣隙與介質(zhì)波導(dǎo)分界面處連續(xù)性，使得太赫茲波的電場強度在具有較低介電常數(shù)、亞波長尺寸的空氣隙中得到進一步增強；因此，本實用新型能夠高效耦合太赫茲波并實現(xiàn)較高的電場增強效應(yīng)，具有重要的應(yīng)用前景。
[0025]所述錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)的底面可與介質(zhì)波導(dǎo)、金屬波導(dǎo)或其它形式波導(dǎo)耦合饋入電磁波；并且該電磁波的極化(偏振)方向為y方向。所述實現(xiàn)電場增強的方法簡單、高效并具有一般性；利用此方法，通過適當比例放大、縮小模型尺寸，本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)微波、毫米波、遠紅外或其它波段的電磁波的電場增強。
【權(quán)利要求】
1.一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器，其特征在于設(shè)有錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)、兩側(cè)金屬板和空氣隙； 所述錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)下底面的尺寸為B1 Xb1，上底面的尺寸為a2Xb2，其中a2 ( B1,b2 ( Id1，二者不同時取等號，高度為Ii1，所述錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)的介電常數(shù)ε d > 2 ;兩側(cè)金屬板緊貼在錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)的兩側(cè)面，兩側(cè)金屬板的形狀與相連著錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)側(cè)面相一致，兩側(cè)金屬板的厚度大于相應(yīng)頻段太赫茲波的趨膚深度；空氣隙位于錐形漸變波介質(zhì)波導(dǎo)上底面尖端中心，空氣隙與直角坐標系XOZ面平行且與兩側(cè)金屬板不相交，空氣隙的厚度為t，空氣隙的高度為h2，空氣隙寬度與錐形尖端的長度b2相等，其中，t〈b2，Ii2A1。
2.如權(quán)利要求1所述一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器，其特征在于所述錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)的四個側(cè)面呈直線型、拋物線型、雙曲線型或多項式階梯型漸變。
3.如權(quán)利要求1所述一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器，其特征在于所述兩側(cè)金屬板的形狀與緊貼著的錐形漸變介質(zhì)波導(dǎo)側(cè)面形狀相匹配，也呈直線型、拋物線型、雙曲線型或多項式階梯型漸變。
4.如權(quán)利要求1所述一種帶空氣隙錐形漸變導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的太赫茲電場增強器，其特征在于所述空氣隙具有亞波長尺寸。
【文檔編號】G02F1/03GK204086728SQ201420495432
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】葉龍芳, 柳清伙 申請人:廈門大學