[发明专利]带空气隙锥形渐变导波结构的太赫兹电场增强器

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹，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

本发明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。

本发明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ε_d≥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。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明具有损耗低、反射小、频带宽、结构简单、易于加工等优点。

(2)本发明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)本发明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)本发明提出一种简单、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，本发明能够实现微波、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为本发明实施例的三维结构示意图。

图2为本发明实施例的yoz截面示意图。

图3为具有波导耦合馈入的本发明实施例的三维结构示意图。