CN204086728U - 一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器 - Google Patents

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Abstract

一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器，涉及太赫兹。设有锥形渐变介质波导、两侧金属板和空气隙；锥形渐变介质波导下底面尺寸为a1×b1，上底面尺寸为a2×b2，其中a2≤a1，b2≤b1，二者不同时取等号，高度为h1；两侧金属板紧贴在锥形渐变介质波导的两侧面，两侧金属板的形状与相连着锥形渐变介质波导侧面相一致，两侧金属板的厚度大于相应频段太赫兹波的趋肤深度；空气隙位于锥形渐变波介质波导上底面尖端中心，空气隙与直角坐标系xoz面平行且与两侧金属板不相交；空气隙的厚度为t，高度为h2，宽度与锥形尖端的长度b2相等，t<b2，h2<h1。损耗低、反射小、频带宽、结构简单、易于加工。

Description

一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器
技术领域
本实用新型涉及太赫兹，特别涉及一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器。
背景技术
太赫兹波(Terahertz waves)一般是指频率范围为0.1～10THz的电磁波，对应的波长范围为3～0.03mm，介于微波和红外线之间，处于宏观电子学和微观光子学的交叉区域。由于所处的电磁频谱位置特殊，太赫兹波具有一系列独特的性质如宽瞬时带宽、高信噪比、低辐射能量、对无极化物质有很强的穿透性等，在许多领域都有巨大的应用潜力；尤其是具有高电场强度的太赫兹波，在太赫兹非线性光学、太赫兹光谱学、高次谐波产生、近场太赫兹成像、雷达、通信、电子对抗等领域都具有十分重要的学科价值和广阔的应用前景。
近年来，国内外太赫兹源方面的研究发展极为迅速，涉及：固态倍频源、返波管、耿氏振荡器、量子级联激光器、自由电子激光器等电子学太赫兹源和采取光整流、光混频、光差频、光电导、光参量、Cherenkov辐射效应等方法的光子学太赫兹源。然而，目前常见的室温太赫兹源的辐射电场强度往往较小，如何进一步提高太赫兹电场强度是当前太赫兹技术研究的一个关键问题。就具有较高的转换效率、较宽的调谐范围、较好的相干性的光整流太赫兹源而言，通过采用离轴抛物面镜对来准直聚焦光整流太赫兹源所辐射出的太赫兹波，能够获得太赫兹波电场强度约kV/cm～1.2MV/cm量级，但由于受到光学衍射极限的限制，抛物面镜无法使太赫兹波的波斑半径聚焦至λ0/2nsin(θ)以下，故难以获得更高的太赫兹波电场强度。为了突破传统光学的衍射极限限制，研究人员提出金属锥形渐变结构、超材料等多种具有亚波长尺度的导波结构用于实现太赫兹电场增强，然而这类导波结构却往往存在太赫兹波耦合效率低下的问题。因此，寻求具有高耦合效率、性能优良的新型太赫兹电场增强结构，就显得尤为迫切。
发明内容
本实用新型的目的在于为了能够高效耦合太赫兹波并实现较高的电场增强效应，提供一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器。
本实用新型设有锥形渐变介质波导、两侧金属板和空气隙；
所述锥形渐变介质波导下底面的尺寸为a1×b1，上底面的尺寸为a2×b2，其中a2≤a1，b2≤b1，二者不同时取等号，高度为h1；两侧金属板紧贴在锥形渐变介质波导的两侧面，两侧金属板的形状与相连着锥形渐变介质波导侧面相一致，两侧金属板的厚度大于相应频段太赫兹波的趋肤深度；空气隙位于锥形渐变波介质波导上底面尖端中心，空气隙与直角坐标系xoz面平行且与两侧金属板不相交，空气隙的厚度为t，空气隙的高度为h2，空气隙宽度与锥形尖端的长度b2相等，其中，t<b2，h2<h1。
所述锥形渐变介质波导可采用高介电常数锥形渐变介质波导，高介电常数εd≥2。所述锥形渐变介质波导的四个侧面可呈直线型、抛物线型、双曲线型或多项式阶梯型渐变。
所述两侧金属板可采用银板、铜板、金板或其它良导体板，两侧金属板可采用压合、镀膜或其它工艺制作而成；所述两侧金属板的形状与紧贴着的锥形渐变介质波导侧面形状相匹配，也呈直线型、抛物线型、双曲线型或多项式阶梯型渐变。
所述空气隙具有亚波长尺寸。
本实用新型的有益效果如下：
(1)本实用新型具有损耗低、反射小、频带宽、结构简单、易于加工等优点。
(2)本实用新型能够克服传统光学聚焦方法存在衍射极限的限制、金属型锥形渐变结构与超材料结构等导波结构存在耦合效率低的问题，能够实现较高效率的太赫兹波耦合馈入和较大的电场增强效应输出。
(3)本实用新型可与产生太赫兹波的非线性晶体进行一体化设计，用于实现高场、高效的太赫兹源。
(4)本实用新型提出一种简单、高效并具有一般性的太赫兹波电场增强方法；利用此方法，通过适当比例放大、缩小模型尺寸，本实用新型能够实现微波、毫米波、远红外或其它波段的电磁波的电场增强。
附图说明
图1为本实用新型实施例的三维结构示意图。
图2为本实用新型实施例的yoz截面示意图。
图3为具有波导耦合馈入的本实用新型实施例的三维结构示意图。
图4为本实用新型实施例与其对比结构的太赫兹电场增强效应的仿真曲线。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。
参见图1和2，本实用新型实施例设有锥形渐变介质波导1、两侧金属板2和空气隙3。锥形渐变介质波导1的材料为高介电常数材料(εd≥2)，下底面尺寸为a1×b1，上底面尺寸为a2×b2(a2≤a1，b2≤b1，二者不同时取等号)，高度为h1；两侧金属板2紧贴在锥形渐变介质波导1的两侧面，其材料为银、铜、金或其它良导体，形状与相连着介质波导侧面相一致，厚度大于相应频段太赫兹波的趋肤深度，可由压合、镀膜或其它工艺制作而成；空气隙3位于锥形渐变波介质波导上底面(尖端)中心，其与直角坐标系xoz面平行且与两侧金属板2不相交，厚度为t(t<b2)、高度为h2(h2<h1)、宽度与锥形尖端的长度b2相等。
所述锥形渐变介质波导1的四个侧面呈直线型、抛物线型、双曲线型或多项式阶梯型渐变；所述两侧金属板2的形状与紧贴着的锥形渐变介质波导侧面形状相匹配，也呈直线型、抛物线型、双曲线型或多项式阶梯型渐变；所述空气隙3具有亚波长尺寸。
本实用新型的工作原理如下：
通过介质波导、金属波导或其它形式波导直接耦合的方式，将y方向极化的太赫兹波馈入到本实用新型的锥形渐变介质波导1的底面；太赫兹波沿着介质波导1向其锥形尖端传输，由于两侧金属板2能够有效抑制侧向辐射，随着横截面尺寸减小，太赫兹波的波斑将逐渐缩小、电场强度将逐渐增强；同时，由于锥形尖端处亚波长空气缝隙3存在，根据电位移矢量在空气隙与介质波导分界面上连续：Dd＝Dair，即εd Ed＝εair Eair，使得太赫兹波的电场强度在具有较低介电常数、亚波长尺寸的空气隙3中得到进一步增强；因此，本实用新型能够高效耦合太赫兹波并实现较高的电场增强效应。
根据本实用新型的一个实施例如图3所示，锥形渐变介质波导1的材料采用具有较大的介电常数LiNbO3晶体(εLN～25.9)，其下底面边长a1＝b1＝600μm，上底面边长a2＝b2＝30μm，高度为h1＝1500μm，且LiNbO3晶体光轴方向为y方向；锥形渐变介质波导1两对侧面均采用直线型渐变方式；紧贴在锥形渐变介质波导1上的两侧金属板2，其材料为金，厚度为1μm，可采用镀金工艺制作；空气隙位于锥形渐变介质波导1的尖端，空气隙具有亚波长尺寸，其高度为h2＝100μm，厚度为t＝10μm，宽度与上锥形尖端的长度b2相等为30μm，且其与直角坐标系xoz面平行；y极化方向的太赫兹波通过底边长为a1＝b1＝600μm、高度为h0＝100μm的两侧镀金的LiNbO3矩形介质波导4，耦合馈入到LiNbO3锥形渐变介质波导底面，并沿着该导波结构向其锥形尖端传输。本实施例的两个对比结构为具有相同尺寸的LiNbO3晶体锥形渐变导波结构和两侧镀金的晶体锥形渐变导波结构，图4为太赫兹波归一化电场增强效应与沿z轴传输距离关系的仿真结果，对于无空气隙、无镀金的LiNbO3晶体锥形渐变导波结构，在接近其尖端处能够获得约4倍的太赫兹电场增强效应，如图4曲线5所示；对于无空气隙、两侧镀金的LiNbO3晶体锥形渐变导波结构，在其尖端处的电场增强效应得到较大的提升，达11倍，如图4曲线6所示；对于带空气隙、两侧镀金本实施例，在其尖端处的电场增强效应得到进一步提升，达34倍，如图3曲线7所示；其原因在于两侧金属板能够有效抑制侧向辐射、提高太赫兹波的约束性，随着横截面尺寸减小，太赫兹波的波斑将逐渐缩小、电场强度将逐渐增强；同时，由于尖端处亚波长空气缝隙存在，根据电位移矢量在空气隙与介质波导分界面处连续性，使得太赫兹波的电场强度在具有较低介电常数、亚波长尺寸的空气隙中得到进一步增强；因此，本实用新型能够高效耦合太赫兹波并实现较高的电场增强效应，具有重要的应用前景。
所述锥形渐变介质波导的底面可与介质波导、金属波导或其它形式波导耦合馈入电磁波；并且该电磁波的极化(偏振)方向为y方向。所述实现电场增强的方法简单、高效并具有一般性；利用此方法，通过适当比例放大、缩小模型尺寸，本实用新型能够实现微波、毫米波、远红外或其它波段的电磁波的电场增强。

Claims (4)

1.一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器，其特征在于设有锥形渐变介质波导、两侧金属板和空气隙；
所述锥形渐变介质波导下底面的尺寸为a1×b1，上底面的尺寸为a2×b2，其中a2≤a1，b2≤b1，二者不同时取等号，高度为h1，所述锥形渐变介质波导的介电常数εd≥2；两侧金属板紧贴在锥形渐变介质波导的两侧面，两侧金属板的形状与相连着锥形渐变介质波导侧面相一致，两侧金属板的厚度大于相应频段太赫兹波的趋肤深度；空气隙位于锥形渐变波介质波导上底面尖端中心，空气隙与直角坐标系xoz面平行且与两侧金属板不相交，空气隙的厚度为t，空气隙的高度为h2，空气隙宽度与锥形尖端的长度b2相等，其中，t<b2，h2<h1。
2.如权利要求1所述一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器，其特征在于所述锥形渐变介质波导的四个侧面呈直线型、抛物线型、双曲线型或多项式阶梯型渐变。
3.如权利要求1所述一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器，其特征在于所述两侧金属板的形状与紧贴着的锥形渐变介质波导侧面形状相匹配，也呈直线型、抛物线型、双曲线型或多项式阶梯型渐变。
4.如权利要求1所述一种带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器，其特征在于所述空气隙具有亚波长尺寸。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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