專(zhuān)利名稱(chēng)：太赫茲波軸向聚焦器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲波，特別是一種太赫茲波軸向聚焦器，通過(guò)聚焦可形成高強(qiáng)度的太赫茲波場(chǎng)。
背景技術(shù)：
太赫茲波(THz)通常是指頻率介于0. ITHz IOTHz (波長(zhǎng)30um 3mm)之間的電磁輻射，在電磁波譜上位于微波和紅外線(xiàn)之間。在20世紀(jì)80年代中期以前，由于缺乏有效的產(chǎn)生方法和檢測(cè)手段，科學(xué)家對(duì)該波段的電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限，是電磁波譜中唯一沒(méi)有獲得較全面研究并很好加以利用的最后一個(gè)波譜區(qū)間，因此稱(chēng)為電磁波的“太赫茲間隙”。經(jīng)過(guò)近幾年對(duì)太赫茲波研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)THz波段光源與傳統(tǒng)光源相比有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用穿透能力強(qiáng)，可用來(lái)探測(cè)X射線(xiàn)、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)探測(cè)不到的材料內(nèi)部的缺陷和隱藏物；光子能量很低，穿透過(guò)物質(zhì)時(shí)，不易發(fā)生電離，因而可用來(lái)進(jìn)行安全的無(wú)損檢測(cè)；對(duì)水分的吸收很敏感，可用于生物醫(yī)學(xué)成像和光的檢測(cè)等；利用適當(dāng)?shù)男】谆蜥樇?，太赫茲波成像可以達(dá)到較高的空間分辨率，并獲得微波成像難以得到的高分辨率的清晰圖像等。由于上述獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，太赫茲波技術(shù)目前已經(jīng)在通信爆炸和走私物品偵測(cè)、缺陷分析、水分檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、示蹤氣體探測(cè)、和生物醫(yī)學(xué)成像等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。 太赫茲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)太赫茲波的聚焦技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。但人們發(fā)現(xiàn)利用傳統(tǒng)的透鏡和反射鏡組成的聚焦器，僅能使太赫茲波聚焦到波束直徑不足1毫米的程度， 導(dǎo)致分辨率不足。這樣的波束遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能用于研究生物細(xì)胞等微小物體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)傳統(tǒng)聚焦器無(wú)法對(duì)太赫茲波進(jìn)行有效聚焦的問(wèn)題，提供一種太赫茲波軸向聚焦器，該聚焦器應(yīng)對(duì)太赫茲波進(jìn)行有效聚焦，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造和系統(tǒng)穩(wěn)定的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種太赫茲波軸向聚焦器，其特點(diǎn)在于該軸向聚焦器由圓錐形金屬線(xiàn)構(gòu)成，D為錐形金屬線(xiàn)的大端直徑，d為小端直徑，L為金屬線(xiàn)長(zhǎng)度，θ為錐度角，D的取值范圍為 50 μ m 1mm，d的取值范圍為50nm 300 μ m, L的取值范圍為280 μ m 28_，θ的取值范圍為1度 5度。所述的圓錐形金屬線(xiàn)的材料是銅、鋁、銀、金、鉬、鎢、鈀、鈦、鉛、鉬、釩，或是其中兩種或兩種以上金屬的合金。將所述的的金屬導(dǎo)線(xiàn)制作成逐漸變細(xì)的形狀，使其一端成為一個(gè)非常微小的點(diǎn)， 這樣金屬線(xiàn)就能引導(dǎo)太赫茲波聚焦到這個(gè)點(diǎn)上，形成直徑只有幾微米的波束，顯著提高分辨率，可廣泛應(yīng)用于通信爆炸和走私物品偵測(cè)、缺陷分析、水分檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、示蹤氣體探測(cè)、和生物醫(yī)學(xué)成像等眾多領(lǐng)域。該種錐形金屬線(xiàn)波導(dǎo)與傳統(tǒng)圓柱形金屬線(xiàn)波導(dǎo)相比，不僅可以有效將太赫茲亞波長(zhǎng)能量聚焦，而且對(duì)于窄波和寬波帶都有顯著的聚焦效果，可覆蓋 0. 1 IOTHz范圍的太赫茲波傳播。本發(fā)明的技術(shù)解決方案的基本原理表面等離子體波可存在于金屬和電介質(zhì)的表面，且該波只能為T(mén) M偏振波，對(duì)于平面的金屬電介質(zhì)表面，只存在&，Ex和Ez三個(gè)分量。而對(duì)于圓柱形的金屬線(xiàn)，表面等離子波同樣存在，且該波仍為T(mén) M偏振，相應(yīng)的電磁場(chǎng)的分量應(yīng)該為H41,艮和Ez。由于緩變的圓錐形金屬線(xiàn)可以看做是由不同直徑的圓柱形金屬線(xiàn)疊加組成，因此考慮一個(gè)圓柱形金屬線(xiàn)放置在空氣中，ε和μ分別來(lái)表示電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。對(duì)于金屬， 兩個(gè)參量分別用％和4 1來(lái)表示，而在空氣中，ε = μ =1。另外，我們分別用Xci，C和 R來(lái)表示真空中的波長(zhǎng)、光速和金屬半徑，其中K = 2^1/^。Ka= [(neff)2-l]1/2, Km = [(nU2。nrff代表本征模的有效折射率，I。(.)，KtlChI1C)和K1C)代表貝塞爾函數(shù)。由于圓柱形金屬線(xiàn)是軸對(duì)稱(chēng)的，我們只對(duì)軸對(duì)稱(chēng)的模式感興趣。以金屬線(xiàn)的軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸建立一個(gè)圓柱坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下，關(guān)系式dt/d<p = 0和= 0總能成立。將該關(guān)系式代入到麥克斯韋方程組中，并利用在金屬和空氣的界面上艮和H41的連續(xù)性條件，我們可以得到如下所示的本征方程
_3] g^ 1^mR) , 1 K^k0KaR) ^q Km I0(MmR) Ka K0(k0/caR)根據(jù)本征方程，我們可以利用數(shù)值計(jì)算的方法得到模式場(chǎng)的大小，根據(jù)計(jì)算結(jié)果， 可知，模式場(chǎng)隨著金屬半徑的減小不斷地增強(qiáng)。因此該緩變的圓錐形金屬線(xiàn)就具有了對(duì)太赫茲電磁波的聚焦作用。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明聚焦器對(duì)太赫茲波能有效聚焦，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明太赫茲波軸向聚焦器的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明太赫茲波軸向聚焦器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明太赫茲波軸向聚焦器，由圓錐形金屬線(xiàn)構(gòu)成，D為錐形金屬線(xiàn)的大端直徑，d為小端直徑，L為金屬線(xiàn)長(zhǎng)度，θ為錐度角，D的取值范圍為50μπι 1mm，d的取值范圍為50nm 300μπι，L的取值范圍為280μπι 28mm，θ的取值范圍為1度 5度。實(shí)施例1、用電蝕的方法，將一根直徑D為50微米(um)的鎢絲構(gòu)造成為一個(gè)1毫米(mm)長(zhǎng)的探針頂部，頂部尖端直徑為50納米(nm)，θ角為1.43度，可以有效聚焦太赫茲波，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的探測(cè)分辨率。實(shí)施例2、
一根直徑D為500微米(um)的鎢絲構(gòu)造成為一個(gè)5. 87毫米(mm)長(zhǎng)的探針頂部， 頂部尖端直徑為30微米(um)，θ角為2. 29度，可以有效聚集0.65 3ΤΗζ的太赫茲波，總能量吸收系數(shù)低于IcnT1的太赫茲波傳輸。實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明聚焦器對(duì)太赫茲波能有效聚焦，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲波軸向聚焦器，其特征在于由圓錐形金屬線(xiàn)構(gòu)成，D為錐形金屬線(xiàn)的大端直徑，d為小端直徑，L為金屬線(xiàn)長(zhǎng)度，θ為錐度角，D的取值范圍為50μπι 1mm，d的取值范圍為50nm 300 μ m, L的取值范圍為280 μ m 28mm，θ的取值范圍為1度 5度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波軸向聚焦器，其特征在于所述的圓錐形金屬線(xiàn)的材料是銅、鋁、銀、金、鉬、鎢、鈀、鈦、鉛、鉬、釩，或是其中兩種或兩種以上金屬的合金。
全文摘要
一種太赫茲波軸向聚焦器，由圓錐形金屬線(xiàn)構(gòu)成，D為錐形金屬線(xiàn)的大端直徑，d為小端直徑，L為金屬線(xiàn)長(zhǎng)度，θ為錐度角，D的取值范圍為50μm～1mm，d的取值范圍為50nm～300μm，L的取值范圍為280μm～28mm，θ的取值范圍為1度～5度。本發(fā)明聚焦器對(duì)太赫茲波能有效聚焦，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01P3/10GK102222813SQ201110074499
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者周常河, 楊潔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所