THz波聚焦与超聚焦研究
Research on Focusing and Super-Focusing of THz Wave
太赫兹波(Terahertz,THz)是频率介于0.1 THz到10 THz范围内的电磁波,具有宽带性、相干性、低能性和透视性等很多独特的性质,在材料分析、透射成像、军事通讯和生物光谱测量等方面有着重要的研究价值.在太赫兹应用中,对太赫兹辐射的聚焦是一个基本却很重要的技术,但是传统的聚焦透镜会带来相差影响聚焦效果,另一方面由于衍射极限的存在,使得太赫兹波聚焦不能达到亚波长尺寸,阻碍了太赫兹在实际应用中的发展.因此在聚焦方面,本文提出一种新型的全透波带片结构,该全透波带片基于菲涅尔波带片而来,理论上能使在菲涅尔波带片中被屏蔽的入射波重新利用起来,提高聚焦强度.通过使用COMSOL多物理场仿真软件对全透波带片和菲涅尔波带片在频率为大气窗口之一的0.14 THz下的聚焦特性进行了仿真、对比和分析,结果显示相对于菲涅尔波带片,全透波带片的聚焦强度可提升一倍以上.同时还仿真了当频率介于一定范围内的电磁波入射到固定焦距的全透波带片后的聚焦特性,结果显示依旧能实现良好的聚焦,并且焦距会随着频率的增加而增加.特别的,我们发现全透波带片的衬底厚度会对透射强度造成影响,会在衬底里形成法布里-珀罗效应.最后通过实验研究对比了全透波带片和菲涅尔波带片的聚焦特性和透射效率.对于聚焦强度,石英、PE全透波带片的聚焦强度分别是菲涅尔波带片的1.8~2.8、1.5~2.2倍之间;透射效率分别比菲涅尔波带片提高了52%~93%、33%~91%.接着,我们研究了一种电磁波准直组件,用来对太赫兹波进行准直,相对于常用的准直透镜,该准直透镜能对发散角以外的电磁波全部进行反射准直.在超聚焦方面,我们研究了一种涂层水滴形状纳米线来传导太赫兹表面等离激元,通过COMSOL仿真计算了该金属纳米线在不同角度、不同半径和不同频率下的表面等离激元特性.当顶部半径增加时,顶部模式宽度主要与顶部半径类似,模式传输长度和有效折射率改变很小.当底部半径变大时,顶部模式FWHM几乎不变,模式传输距离增大,有效折射率减小.当顶部角度变大时,顶部模式FWHM也几乎不变,模式传输长度和有效折射率的最大变化分别为10%,5%.当涂层厚度从4~10μm变化时,模式传播长度减小,有效折射率增大;当涂层厚度大于10μm时,模式能量几乎全在PE里,传输长度变化很小,有效折射率趋于PE.当入射频率在1~10 THz内逐渐增大时,顶部模式的FWHM将会减小.综合表明通过调节顶部半径和底部半径可以平衡顶部的模式宽度(~10 nm)和模式的传输长度(~2.3 mm).
- 作者：
- 尹慧
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 专业名称：
- 光学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 梁华伟
- 中图分类号：
- O441.4
- 关键词：
- THz聚焦；THz超聚焦；表面等离激元
- THz Focusing; THz Super-Focusing; Surface Plasmon Polaritons;