微加工中几何尺度对太赫兹光子晶体传输性质的影响
太赫兹光子晶体器件
太赫兹光子晶体器件介绍太赫兹光子晶体器件是一种基于太赫兹波段（频率介于红外光和微波之间）的器件，利用光的相互作用来控制和调节太赫兹波的传播。
太赫兹波具有广阔的应用前景，可以用于图像识别、材料检测、通信等领域。
太赫兹光子晶体器件通过设计材料的结构来实现对太赫兹波的控制，具有独特的光学特性和优越的性能。
原理太赫兹光子晶体器件的工作原理基于光子晶体的概念。
光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其周期的尺寸与入射光的波长相当。
太赫兹光子晶体器件利用了太赫兹波的波长特性，通过改变周期结构来调节太赫兹波的传播和耦合。
光子晶体的结构光子晶体的典型结构包括周期性排列的介质柱状结构和间隔的空气等。
这种结构可以通过多种方法制备，例如光刻、离子束刻蚀等。
通过调节光子晶体的结构参数，可以实现对太赫兹波的各种控制，例如光子禁带、楔形光波导等。
光子禁带光子禁带是光子晶体的重要特性之一，指的是在某一频率范围内，光子晶体对该频率的光波具有完全的反射和吸收。
通过调节光子晶体的周期结构，可以实现对太赫兹波的光子禁带功能。
光子禁带的特性使光子晶体器件在太赫兹波的调制和滤波中发挥重要作用。
楔形光波导楔形光波导是一种光子晶体器件的重要结构，可以实现对太赫兹波的耦合和传播控制。
楔形光波导的工作原理基于全反射效应，在太赫兹波的传播过程中，太赫兹波束会被楔形光波导束缚和引导。
通过改变楔形光波导的结构参数，可以实现对太赫兹波的调制和传输效果的优化。
应用太赫兹光子晶体器件具有广泛的应用前景，在多个领域都具有重要的作用。
图像识别太赫兹波在图像识别中具有独特的优势，可以穿透一些非透明材料，例如纸张、塑料等，对材料的内部结构进行观测和分析。
太赫兹光子晶体器件可以用于太赫兹图像的传输和处理，提高图像分辨率和对比度。
材料检测太赫兹波在材料检测中具有很高的灵敏度，可以检测出材料的成分和结构信息。
太赫兹光子晶体器件可以用于太赫兹光的调制和谐波产生，提高材料检测的灵敏度和准确性。
量子尺寸效应
量子尺寸效应
量子尺寸效应是指当纳米材料的尺寸减小到与原子或分子的量子尺寸相当时，其电子、光子和声子等载流子的行为和性质会发生显著变化的现象。
主要包括以下几个方面的影响：
1.能带结构调制：在纳米尺寸下，材料的能带结构会受到量子约束效应的影响，导致能带宽度增加、带隙变化、能级结构调制等现象，影响材料的光学、电学和磁学性质。
2.光学性质：量子尺寸效应使纳米材料的光学性质发生变化，如量子点的量子限制效应导致其发光颜色随粒子尺寸变化，纳米线的光学波导效应增强了光的传输。
3.电子结构调制：纳米尺寸下，电子的能级密度增加，电子态的量子限制效应显著，导致载流子的束缚态和禁闭态能级的出现，影响了电子传输性能和电子结构的调制。
4.载流子限制效应：量子尺寸效应使得电子、光子和声子等载流子的运动受到约束，从而影响了材料的电导率、光学透明度、声子热传导等性质。
5.光子效应：量子尺寸效应也会影响纳米材料中声子的能量和频率分布，导致声子的量子限制效应，影响了热传导和热容性质。
量子尺寸效应对纳米材料的性质和行为具有重要影响，因此在纳米材料的制备、表征和应用过程中需要充分考虑和利用这些效应，以实现对纳米材料性能的精确调控和优化。
光子晶体的应用
光子晶体的应用引言光子晶体是随人们对光控制的需求应运而生的，也是现代通信发展的需要。
在过去的几十年旱，半导体技术在人们日常生活中扮演重要的角色。
现代高科技的发展要求集成电路微型化和高速化，但是微型化将导致电阻增加和更高的能量损耗：高速则导致对信号同步化的敏感性。
为提高集成密度和系统的性能，科学家把目光从电子转向了光子。
与电子相比，光子的优点是：高速、大容量、低损耗；缺点是：传统光学对光的控制主要依赖于全内反射原理，但与波长相比，高低折射率的介质界面必须足够大，因此限制了光学器件的微型化。
依靠传统的介质材料，设计～个类似电子晶体管那样的小的光学器件是非常困难的。
光子晶体则提供了一种完全不同的对光的控制原理，这种对光予的操控能力，为光子器件提供了新的发展空间。
目前科学家正尝试用光子取代电子作作为讯息载体，希望解决此类的问题。
1.光子晶体简介1．1光子晶体的由来与概念光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。
这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。
我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。
特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
光子晶体这一概念最初是从控制光的自发辐射角度提出来的。
光的自发辐射是激发态原子跃迁至较低能级，并以光辐射的形式释放出能量的一种现象。
1987 年Yablonovitch[”指出，折射率在三维空间以^／2为周期的变化，会导致在波长五附近，对所有传播方向的电磁波存在一个共同的禁带，就像晶体中的电子具有能量禁带一样。
MEMS技术在THz无源器件中的应用
2011年第30卷第7期传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）MEMS技术在THz无源器件中的应用*赵兴海1，鲍景富2，杜亦佳2，高杨1，郑英彬1（1．中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621900；2．电子科技大学，四川成都611731）摘要：太赫兹技术将在未来高精度频谱探测技术、高分辨率成像和高性能通讯等应用前景良好。
太赫兹技术处于电子学与光子学领域的交叉领域，太赫兹器件的尺寸在数十微米到毫米量级，传统的机械加工技术很难达到加工精度要求，甚至无法加工。
MEMS技术在太赫兹器件的加工方面具有巨大的优势。
总结了目前采用DRIE，LIGA等工艺加工太赫兹器件的研究现状，包括太赫兹传输波导器件、太赫兹传输线器件、慢波结构和特种复合结构的加工。
分析了MEMS加工工艺的优缺点和在太赫兹器件加工中的应用前景。
关键词：太赫兹器件；微机电系统；LIGA；深反应离子刻蚀中图分类号：O451；TN432文献标识码：A文章编号：1000—9787（2011）07—0005—05 Application of MEMS technology in passive THz-devices*ZHAO Xing-hai1，BAO Jing-fu2，DU Yi-jia2，GAO Yang1，ZHENG Ying-bin1（1．Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，China；2．University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu611731，China）Abstract：The primary applications for terahertz（THz）technology have so far been high precision spectrum detection technology，superresolution imaging，and high performance communication et al．THz region locates on the border between far-IR and submillimeter which is still rather blurry．The dimension of THz devices is from several ten micrometers to several millimeters which are difficult or hard to fabricate by the traditional machining technology．MEMS technology has many advantages to fabricate these devices．An overview of recent progress in the research and development of MEMS antennas，transmission lines，waveguides structures，and slow wave structures and metamaterial devices based on DRIE，LIGA technologies for terahertz frequencies is presented．The advantages and disadvantages of MEMS technology and applications in THz devices fabrication are analyzed．Key words：THz devices；MEMS；LIGA；DRIE0引言太赫兹（terahertz，THz）波在电磁波谱中位于0．1 10THz的频段，对应于电磁波长为0．03 3mm，处于电子学与光子学的“空白”地带。
太赫兹波段正方晶格二维光子晶体传输特性的研究
平 面波 展 开 法 是 应 用 Ｂｏｈ定 理 ， 电磁 场 分 ｌ ｃ 把
解 为 Ｂｏ ｈ波 的形 式 ， 且 展 开 为一 系列 平 面 波 的 ｌ ｃ 并 叠加 。此 方法 是在 周期性 介 电系数 分 布 的物 质 中对
Ｍ ｘ ｅ 方程做计算 ， ａｗ ｌ ｌ 离散 Ｆｕｉ 空间 ， ｏｒ ｒ ｅ 将能带计算
关键 词 ： 赫兹波 ； 太 光子 晶体 ； 面波展 开 法 ； 平 正方 晶格 ； 能态 密度 中 图分类 号 ： ４ １ １ ０ ３ ． 文献 标识 码 ： Ａ
Ｔｒ ｎｓ ｉｓｏ ａ ｍ ｓｉｎ Ｃｈａ ａ ｔ ｒｓｉ ｆＴｅ ａ ｅ ｔ ａ ｅ Ｂａ ｄ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｏ ｒ ｈ ｒ ｚ Ｗ ｖ ｎ ｃ
１ 引 言
供 了理 论 依 据 。
２ 平面 波展 开法
太 赫兹 （ ｅａ ｅ ｚＴ ｚ 是 Ｆｅ ｉｇ９ ４年 提 出 Ｔ ｒｈｒ ， Ｈ ） ｔ ｌｍ ｎ １７
ห้องสมุดไป่ตู้
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第３ ８卷 第 １ ２期
２０ ０ ８年 １ ２月
激 光 与 红 外
ＬＡ Ｅ Ｓ Ｒ ＆ Ｉ ＲＡＲＥ ＮＦ Ｄ
Ｖｏ ． ８， １ ３ Ｎｏ． ２ １
Ｄ ｃ ｍｂ ｒ ２ ０ ｅ ｅ ｅ ，０ ８
文章编号： ０— ７ （０８ １— ２－ １ １ ０８ ２０ ）２１ ５ ４ ０ ５ ２ ０
光子晶体介绍
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图2.1 二维正方晶格结构的示意图
（1）TM模式 （2）TE模式
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15
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
光子晶体的禁带机理及不同结构晶体薄 膜的制备和光学性质 研究
1
主要内容
一、引言 二、理论研究 三、实验制作和分析表征 四、总结
2
一、引言
3
一、引言（1）
1、光子晶体概念； 2、光子晶体基本特征； 3、光子晶体的场方程； 4、光子晶体的能带； 5、光子晶体的研究方法； 6、光子晶体的制作方法和最新进展； 7、光子晶体的应用。 8、本研究的主要内容。
太赫兹科学技术的新发展
太赫兹科学技术的新发展一、本文概述随着科技的飞速发展，太赫兹科学技术已成为一个备受瞩目的新兴领域。
太赫兹波，位于微波与红外线之间，具有独特的物理和化学性质，使得其在众多领域，如通信、生物医学、安全检查等，展现出广阔的应用前景。
本文旨在全面概述太赫兹科学技术的最新发展，探讨其基础原理、技术挑战和应用前景，以期为推动该领域的发展提供参考和启示。
我们将简要介绍太赫兹波的基本概念和特性，阐述其在不同领域的应用价值和潜力。
随后，我们将重点回顾近年来太赫兹科学技术在基础理论、关键技术和实际应用方面所取得的重大突破和进展。
在此基础上，我们将讨论当前太赫兹科学技术所面临的挑战和问题，并探讨可能的解决方案和发展方向。
我们将展望太赫兹科学技术的未来发展趋势，预测其在不同领域的应用前景，并探讨如何进一步推动该领域的发展。
通过本文的阐述，我们希望能够为读者提供一个全面、深入的太赫兹科学技术发展新视角，促进该领域的学术交流和技术创新，推动太赫兹科学技术在各个领域的应用和发展。
二、太赫兹波产生与检测技术的发展随着科学技术的飞速发展，太赫兹波（Terahertz, THz）产生与检测技术已成为当前研究的热点领域。
太赫兹波位于微波与红外线之间，具有独特的物理和化学性质，因此在通信、生物医学、安全检查等领域具有广泛的应用前景。
近年来，太赫兹波产生与检测技术的发展取得了显著的进步，为太赫兹科学技术的应用提供了有力支持。
在太赫兹波产生方面，研究者们不断探索新的方法和技术。
目前，已经发展出了多种产生太赫兹波的方法，如光电导天线、光整流、差频产生等。
其中，光电导天线是最常用的方法之一，它通过将超短激光脉冲照射在光电导材料上，产生瞬态电流并辐射出太赫兹波。
随着激光技术和光电导材料的发展，光电导天线产生的太赫兹波功率和频率范围得到了显著提高。
在太赫兹波检测方面，研究者们同样取得了重要进展。
目前，已经有多种太赫兹波检测技术被开发出来，如光电导采样、相干探测、热释电探测等。
太赫兹电子器件研究报告
太赫兹电子器件研究报告1、定义与概念太赫兹（Terahertz，简称THz）是指频率在0.1 THz～10 THz（1 THz = 1012 Hz），波长在3 mm～30 μm范围内的电磁波，波段介于微波与远红外光之间，如图1所示。
THz波的长波段与亚毫米波重合，其发展主要依靠电子学技术；短波段与红外线重合，发展主要依靠光子学技术。
THz波的位置正好处于宏观经经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学过过渡领域，它是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段[1]。
20世纪90年代以前，由于缺乏有效的THz源及检测技术，致使人们对THz 波段的认知非常有限，使得THz波成为电磁波谱上的空隙。
近十几年来，激光技术的迅速发展为THz波的产生提供了稳定、可靠的激发光源，THz波检测技术及其应用的研究也得到了蓬勃的发展[2]。
相比于传统的电磁波和光波，THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便的进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰[3]；THz脉冲源通常包括若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从吉赫兹至几十太赫兹的范围；由于它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学频率差频产生，因此有着很好的相干性；此外，THz光子的能量只有10-3eV，不易破坏被检测的物质，适合于生物大分子与活性物质结构的研究；而且，THz辐射具有很好的穿透性，它能以很小的衰减穿透物质，如烟尘、墙壁、碳板、布料及陶瓷等，在环境控制与国家安全方面能有效发挥作用。
2、太赫兹电子器件的国内外研究水平及其工作原理在太赫兹技术及应用中，太赫兹辐射源研究是太赫兹技术发展的重要环节，有多种方法都可产生THz辐射，主要包括以下几类[4,5]：（1）半导体THz源，如采用量子级联半导体激光器可直接产生THz源。
半导体THz源具有小巧、价格低廉和频率可调的特点，是人们希望的一种THz 源，但这类技术的THz源中，大部分需要器件的制冷且输出的功率较小，并且要把频率延伸到THz也是件难事；（2）基于光子学的THz发生器，如利用超短激光脉冲去激发太赫兹辐射源也是产生脉冲太赫兹辐射的主要方法，常用的激光激发技术有光导和光整流技术。
太赫兹波导开题报告
太赫兹波导开题报告太赫兹波导开题报告1. 引言太赫兹波导作为一种新兴的通信技术，近年来引起了广泛的关注和研究。
太赫兹波导是指在太赫兹频段（约0.1 THz - 10 THz）传输电磁波的导波结构，具有较低的损耗和较高的传输带宽。
本文旨在介绍太赫兹波导的基本原理、应用领域以及未来发展方向。
2. 太赫兹波导的基本原理太赫兹波导的传输原理主要基于电磁波在导波结构中的传播方式。
太赫兹波导通常采用金属或半导体材料制作，通过调控导波结构的尺寸和形状，可以实现电磁波的导引和传输。
太赫兹波导的导波机制可以分为表面等离子体波导、光子晶体波导和微带线波导等多种形式。
3. 太赫兹波导的应用领域3.1 通信领域太赫兹波导在通信领域有着广泛的应用前景。
由于太赫兹波导具有较高的传输带宽和较低的损耗，可以用于实现高速数据传输和无线通信。
此外，太赫兹波导还可以用于构建微小型天线和传感器，实现无线通信设备的迷你化和集成化。
3.2 显微成像领域太赫兹波导在显微成像领域也具有重要的应用价值。
太赫兹波导可以通过与生物组织的相互作用，实现对生物样本的高分辨率成像。
这对于医学诊断、组织学研究等领域具有重要意义，可以帮助科学家深入了解生物体内部的结构和组成。
3.3 安全检测领域太赫兹波导在安全检测领域也有着广泛的应用。
太赫兹波导可以穿透大部分非金属材料，如纸张、塑料等，而且对生物体无害。
因此，太赫兹波导可以用于安全检测、隐蔽武器探测、药物检测等方面，有助于提高安全检测的效率和准确性。
4. 太赫兹波导的未来发展方向4.1 纳米尺度波导研究随着纳米技术的发展，研究人员开始关注纳米尺度下的太赫兹波导。
纳米尺度波导可以实现更小尺寸的器件和更高的集成度，有望推动太赫兹技术在纳米电子学和纳米光学领域的应用。
4.2 新材料的应用太赫兹波导的性能很大程度上取决于材料的特性。
目前，研究人员正在探索新的材料，如二维材料、金属有机框架材料等，用于太赫兹波导的制备。
光电子器件的太赫兹应用考核试卷
4.针对太赫兹光电子器件的设计与制造，阐述影响其性能的关键因素，并提出可能的改进措施。
()
标准答案
一、单项选择题
1. A
2. C
3. B
4. B
5. D
6. D
7. B
8. A
9. B
10. D
11. D
12. D
13. D
14. A
15. A
16. A
17. B
18. A
19. D
20. D
二、多选题
A.微电子加工技术
B.超导技术
C.光子晶体技术
D.纳米加工技术
()
14.太赫兹波在通信系统中的应用潜在优势包括以下哪些？（）
A.大带宽
B.高速度
C.抗干扰
D.低能耗
()
15.以下哪些材料可以用于制造太赫兹波的光电器件？（）
A.半导体
B.超导体
C.纳米材料
D.有机材料
()
16.以下哪些因素会影响太赫兹波在天线中的辐射效果？（）
4.太赫兹波在天线设计中不需要考虑阻抗匹配问题。（）
5.太赫兹光电子器件的制造可以完全采用传统的微电子加工技术。（）
6.太赫兹波在通பைடு நூலகம்领域的潜在应用包括提供更高的数据传输速率。（）
7.在所有环境下，太赫兹波的传播都不会受到任何干扰。（）
8.太赫兹波的光电器件可以很容易地与其他电子系统集成。（）
9.太赫兹波在生物医学领域的应用仅限于表面成像。（）
10.太赫兹技术目前已经被广泛应用于日常生活中的各种设备中。（）
五、主观题（本题共4小题，每题10分，共40分）
1.请描述太赫兹波在光电子器件中的产生原理，并列举至少两种常见的产生太赫兹波的方法。
基于光子晶体的新型微波传输线路设计与实现
基于光子晶体的新型微波传输线路设计与实现引言：随着无线通信技术的快速发展，对于高频微波信号的传输需求也越来越迫切。
传统的微波传输线路存在着信号衰减、干扰等问题，因此，研究新型的微波传输线路成为了当前的热点。
本文将介绍一种基于光子晶体的新型微波传输线路的设计与实现。
一、光子晶体的基本原理光子晶体是一种具有周期性介质结构的材料，其特点是具有光子带隙。
光子带隙是指在特定频率范围内，光子晶体对于某些特定频率的光波具有完全反射的特性。
这种特性使得光子晶体在微波传输线路中具有很大的潜力。
二、微波传输线路的设计1. 光子晶体的材料选择光子晶体的材料选择是设计微波传输线路的关键。
一般来说，光子晶体需要具有较高的折射率差和较低的损耗。
目前常用的材料有硅、氮化硅等。
根据具体的需求和应用场景，选择合适的材料非常重要。
2. 光子晶体的结构设计光子晶体的结构设计是决定微波传输线路性能的关键因素。
通过调整光子晶体的周期、孔径等参数，可以实现对微波信号的调控。
例如，可以设计出具有特定频率带隙的光子晶体，使得微波信号在特定频率范围内得到有效传输。
三、微波传输线路的实现1. 光子晶体的制备制备光子晶体是微波传输线路实现的第一步。
常用的制备方法包括光刻、干法刻蚀等。
通过这些方法，可以在材料表面制备出具有周期性结构的光子晶体。
2. 微波信号的传输制备好光子晶体后，就可以进行微波信号的传输实验了。
将微波信号输入到光子晶体中，观察信号的传输情况。
通过实验数据的分析，可以评估光子晶体在微波传输中的性能。
四、光子晶体微波传输线路的优势与应用1. 优势相比传统的微波传输线路，基于光子晶体的新型微波传输线路具有以下优势：- 低损耗：光子晶体的折射率差较大，可以实现低损耗的微波传输。
- 宽带隙：光子晶体具有宽带隙特性，可以实现对多个频率的微波信号传输。
- 抗干扰：光子晶体对于外界干扰具有较强的抵抗能力，可以提高传输信号的稳定性。
2. 应用基于光子晶体的新型微波传输线路在通信、雷达、卫星等领域具有广泛的应用前景。
微切削加工单位切削力及表面加工质量的尺寸效应研究
微切削加工单位切削力及表面加工质量的尺寸效应研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展，微切削加工技术在微电子、光学、生物医疗等领域的应用日益广泛。
微切削加工具有高精度、高效率、低能耗等优点，是实现微型零件高精度制造的关键技术之一。
然而，由于微切削加工中切削厚度、切削速度等参数较小，导致单位切削力及表面加工质量出现显著的尺寸效应。
因此，深入研究微切削加工中的单位切削力及表面加工质量的尺寸效应，对于提高微切削加工精度、优化加工参数、提升加工效率具有重要意义。
本文旨在通过理论分析和实验研究，探讨微切削加工中单位切削力及表面加工质量的尺寸效应。
通过理论模型建立微切削加工过程中的力学模型，分析切削参数对单位切削力的影响规律。
通过实验手段，研究不同切削参数下微切削加工表面的形貌特征和加工质量，揭示尺寸效应对表面加工质量的影响机制。
结合理论分析和实验结果，提出优化微切削加工参数的策略和方法，为提高微切削加工精度和效率提供理论支持和实践指导。
本文的研究内容不仅有助于深入理解微切削加工过程中的力学行为和表面加工质量变化规律，还为微切削加工技术的进一步发展和应用提供理论支撑和实践指导。
通过本文的研究，有望为微型零件的高精度制造和微型器件的制造提供新的思路和方法。
二、微切削加工基本理论微切削加工，也称微细切削加工或微型切削加工，是指在微米甚至纳米尺度上进行的切削加工过程。
这一加工领域与传统的宏观切削加工有着显著的区别，主要体现在切削深度、切削宽度和切削速度等参数上。
微切削加工的理论基础建立在传统的切削加工理论之上，但由于其尺度效应，许多宏观切削加工中的假设和理论在微观尺度下可能不再适用。
在微切削加工中，单位切削力是一个重要的参数，它直接影响到切削过程的稳定性和加工效率。
单位切削力的大小取决于刀具的几何形状、切削材料的物理性质以及切削条件等因素。
在微观尺度下，由于材料去除的体积非常小，单位切削力对加工过程的影响变得更加显著。
新型太赫兹光子晶体OAM_光纤设计
第 21 卷 第 12 期2023 年 12 月Vol.21，No.12Dec.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology新型太赫兹光子晶体OAM光纤设计杨婧翾1，李巍2，成利敏1(1.廊坊师范学院电子信息工程学院，河北廊坊065000；2.北华航天工业学院电子与控制工程学院，河北廊坊065000)摘要：太赫兹通信兼具微波通信和光波通信的优势，是解决通信容量紧缺难题的最有效技术手段之一。
针对太赫兹波段吸收损耗严重及抗外在扰动差，难以支持长距传输问题，设计了一种基于环形光子晶体光纤(PCF)结构的新型太赫兹光纤。
以现有常见材料作为光纤基底材质，通过创新光纤结构中空气孔排布方式，抵消材料高吸收损耗，以支持高性能轨道角动量(OAM)模式传输。
选择最优参数，实现6个OAM模式群的高模式质量、低限制损耗和宽带宽的稳定传输。
在0.2~0.9 THz宽波段内，实现模式纯度超过88.9%，限制损耗小于10-7 dB/m。
通过软件仿真实验设计，解决了太赫兹与OAM技术相结合的关键问题，为模分复用(MDM)技术在太赫兹通信系统的应用奠定了理论研究基础。
关键词：轨道角动量；太赫兹通信；光子晶体光纤；模分复用中图分类号：TN914 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2023089Design of new terahertz photonic crystal fiber forOrbital Angular Momentum modes transmissionYANG Jingxuan1，LI Wei2，CHENG Limin1(1.School of Electrical Information Engineering，Langfang Normal University，Langfang Hebei 065000，China；2.School of Electronic and Control Engineering，North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang Hebei 065000，China)AbstractAbstract：：Terahertz communication has the advantages of both microwave communication and optical communication, which is one of the most effective technical means to solve the problem ofcommunication capacity shortage. In order to solve the problems of serious absorption loss and poorexternal disturbance resistance in terahertz band, a new terahertz fiber based on circular PhotonicCrystal Fiber(PCF) structure is designed to support high performance Orbital Angular Momentum(OAM)modes transmission. The existing common materials are used as the fiber base material, and the highabsorption loss of materials is offset by the innovation of hollow porosity arrangement in the fiberstructure. The optimal parameters are selected to realize the stable transmission of six OAM mode groupswith high mode quality, low confinement loss and wide bandwidth. The mode purity is above 88.9% andthe confinement loss is below 10-7 dB/m in the 0.2~0.9 THz band. Through simulation, the key problemof combining terahertz and OAM technology is solved, which lays a theoretical foundation for theapplication of Mode Division Multiplexing(MDM) technology in terahertz communication system.KeywordsKeywords：：Orbital Angular Momentum；terahertz communication；Photonic Crystal Fiber；Mode Division Multiplexing随着信息互联网技术创新的快速发展，人工智能、高清视频、直播等新的应用方式受到了社会各界的广泛关注[1-3]。
《多功能太赫兹超材料的设计及应用研究》范文
《多功能太赫兹超材料的设计及应用研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，超材料以其独特的物理特性，如电磁波的调控、反射和吸收等，成为科研领域中的研究热点。
在众多应用中，多功能太赫兹超材料的研究尤为重要。
本文旨在深入探讨多功能太赫兹超材料的设计方法，并分析其在不同领域的应用。
二、多功能太赫兹超材料的设计1. 材料选择设计多功能太赫兹超材料，首先需要选择合适的材料。
目前，常用的材料包括金属薄膜、陶瓷材料、导电聚合物等。
这些材料在太赫兹波段具有独特的电磁特性，为设计多功能超材料提供了可能。
2. 结构设计结构设计是设计多功能太赫兹超材料的关键环节。
通过合理设计材料的微观结构，如周期性阵列、梯度结构等，可以实现对太赫兹波的调控和优化。
此外，结合电磁波的传播特性，还可以设计出具有特定功能的超材料结构。
3. 性能优化为了进一步提高多功能太赫兹超材料的性能，可以通过调整材料的电磁特性、改变结构参数等方式进行性能优化。
同时，借助仿真软件和实验验证相结合的方法，可以有效地对设计进行评估和改进。
三、多功能太赫兹超材料的应用研究1. 电磁波调控与隐身技术利用多功能太赫兹超材料可以实现对电磁波的精确调控和隐身技术。
在隐身衣的设计中，采用多层复合的超材料结构，可以在特定频率下吸收电磁波并减少反射，从而实现隐身效果。
此外，该技术还可应用于雷达散射截面减小、电磁干扰抑制等领域。
2. 传感器与探测技术多功能太赫兹超材料在传感器与探测技术领域具有广泛应用。
通过设计特定频率响应的超材料结构，可以实现对目标物体的精确探测和识别。
例如，在医疗领域中，可以利用太赫兹波的特殊性质进行肿瘤细胞的检测与诊断；在安全领域中，可用于探测非法物质或威胁。
3. 无线通信与信息处理技术由于太赫兹波具有高带宽和短波长等优势，使得其成为无线通信领域的理想选择。
通过利用多功能太赫兹超材料对信号的调制和调控，可以实现高速无线通信和数据传输。
此外，结合其他信息技术手段，还可实现复杂信号的快速处理和分析。
《2024年多功能太赫兹超材料的设计及应用研究》范文
《多功能太赫兹超材料的设计及应用研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，太赫兹（THz）超材料作为一种新兴的电磁材料，其独特的光学性质和性能引起了科研人员的广泛关注。
多功能太赫兹超材料，不仅具备传统材料的物理特性，还具有独特的电磁响应和调控能力，在通信、医疗、安全等领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在探讨多功能太赫兹超材料的设计原理、制备方法及其在各领域的应用研究。
二、多功能太赫兹超材料的设计原理与制备方法1. 设计原理多功能太赫兹超材料的设计基于电磁学、光学和材料科学的基本原理。
通过精确调控材料的微观结构，如尺寸、形状、排列等，实现对太赫兹波的特殊响应和调控。
设计过程中需考虑材料的介电常数、磁导率等参数，以满足特定的应用需求。
2. 制备方法目前，多功能太赫兹超材料的制备主要采用纳米制造技术。
包括纳米压印、激光直写、电子束光刻等工艺。
此外，还包括薄膜沉积技术（如物理气相沉积和化学气相沉积）和微加工技术等。
这些方法能够实现高精度、高效率的制备过程，满足不同领域对多功能太赫兹超材料的需求。
三、多功能太赫兹超材料在各领域的应用研究1. 通信领域在通信领域，多功能太赫兹超材料被广泛应用于高频通信系统、光子晶体管和微波器件等。
通过优化材料的电磁性能，提高信号传输速度和稳定性，降低通信系统的能耗和成本。
此外，多功能太赫兹超材料还可用于构建高灵敏度的传感器件，实现对环境因素的实时监测和调控。
2. 医疗领域在医疗领域，多功能太赫兹超材料被应用于生物成像、药物传递和癌症治疗等方面。
通过精确调控材料的电磁波吸收和散射特性，实现对生物组织的无损检测和诊断。
此外，还可利用太赫兹波的特殊性质进行药物传递，提高治疗效果和安全性。
3. 安全领域在安全领域，多功能太赫兹超材料被用于制造隐形材料、安全检测和身份识别等方面。
通过优化材料的电磁波透射和反射特性，实现隐身效果；同时，还可用于检测和识别危险物品和非法物品，提高安全防范能力。
太赫兹频段高折射率超材料的设计和特性研究
文章编号㊀１６７２Ｇ６６３４(２０１９)０５Ｇ００１９Ｇ０５D O I ㊀１０．１９７２８/j．i s s n １６７２Ｇ６６３４．２０１９．０５．００４太赫兹频段高折射率超材料的设计和特性研究高㊀喜㊀张㊀燕(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林５４１００４)摘㊀要㊀设计了太赫兹频段的高折射率超材料,该结构是通过在介质板的两侧对称的蚀刻 双开口环 型金属贴片而构成．研究结果表明:当电磁波垂直入射的情况下,谐振频率(０．５２T H z )附近的折射率高达２００,且在０．５１T H z 到２T H z 频段范围内,折射率均大于７０．该超材料具有结构简单㊁便于加工,宽带等优点,在太赫兹波通信㊁成像等方面有广阔的应用前景．关键词㊀太赫兹;超材料;高折射率中图分类号㊀T N ０４文献标识码㊀A０㊀引言人工电磁超材料是一种结构单元尺寸远远小于工作波长的人工周期性结构,具有天然材料所不具备的超常物理性能．通过改变单元结构的形状㊁几何参数及排列方式,可以获得任意等效介电常数和磁导率,从而达到任意控制电磁波的目的[１Ｇ４]．早期的超材料类型主要有负折射率超材料㊁近零折射率超材料㊁人工磁导体等．近年来,随着研究的不断深入,高折射率超材料已经引起了研究人员的广泛关注．通常,高折射率材料对成像系统的分辨率具有重要影响[５],利用高折射率材料可以明显增大显微镜的数值孔径,从而提高显微镜的分辨率．同时,高折射率材料产生的慢光效应可以提高延迟线[６]的存储容量和干涉仪的光谱灵敏度[７]．通过合理的设计单元结构和调节结构的几何尺寸,可以显著提高超材料的有效介电常数和有效磁导率,从而进一步提高材料的折射率．J ．T．S h e n 等人在２００５年首次分析了获得高折射率超材料所需要的条件,同时设计了亚波长金属贴片阵列．通过提高相邻贴片的耦合电容,能够显著提高等效介电常数,从而使超材料呈现出高折射率特性[８]．２００９年,J ．S h i n 等人设计了一种三维高折射率超材料[９],它主要是通过增加相对介电常数,来提高折射率,折射率的最大值达到了４．２．然而,所提出的超材料具有复杂的该结构,难以获得实际应用．２０１１年,M．C h o i 等人以 工 字型单元结构构建超材料,在T H z 频段实现了超高折射率[１０]．利用邻近工字型臂之间的强电偶极子谐振的特性,大幅度提高了等效介电常数,从而实现了等效折射率的显著提高．在０．５T H z 附近,折射率峰值达到２８．２０１５年,T a nS 等人提出了 Z字型的各向异性结构[１１],其折射率的峰值为１４．３６．最近,L e e n aS i n g h 提出了一种双层 田 字型超材料结构,通过双层金属之间电磁耦合,在１．９３T H z 处实现了８３．４的超高折射率[１２]．本文设计了一种由金属Ｇ电介质Ｇ金属构成的夹层结构．通过减少单元之间的间隙和电介质层的厚度,可以有效增加超材料的电容效应,从而显著提高了超材料的等效介电常数;另一方面,通过压缩金属贴片的厚度,有效降低感应表面电流所包围的面积,这极大程度地降低了金属中的抗磁响应,从而显著提高了超材料的等效磁导率．由于同时提高了超材料的等效介电常数和等效磁导率,最终使得超材料的折射率得到了大幅度提高．通过C S T 仿真结果表明,在０．５１T H z 至２T H z 的频率范围内,超材料的折射率大于７０,且０．５２T H z 的谐振频率附近,折射率达到２００．收稿日期:２０１９Ｇ０３Ｇ０１基金项目:国家自然科学基金项目(６１７６１０１０;６１４６１０１６)资助通讯作者:高喜,男,汉族,博士,教授,研究方向:电磁场与微波技术,E Ｇm a i l :４１１７２５４０４＠q q．c o m．第３２卷㊀第５期２０１９年１０月㊀㊀㊀聊城大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fL i a o c h e n g U n i v e r s i t y (N a t ．S c i ．)V o l ．３２N o ．５O c t ．２０１９图１㊀高折射率超材料单元结构示意图１㊀高折射率超材料单元的设计图１为所提出的高折射率超材料单元结构示意图,通过将两个双开口环型的金属贴片对称的印制在电介质板的两侧形成．该结构中,介质板为聚酰亚胺,其相对介电常数为εr ＝３．５＋９．４５ˑ１０－３i ,厚度为d ＝２．５μm．双开口环型金属贴片的材料为铝(如图１中的深灰色部分),其电导率为３．５６ˑ１０７s /m．结构单元的其它结构参数为:方形环的外边长a ＝５９μm ,沿着y 方向的金属环的宽度W １＝３μm ,沿着x 方向的金属环的宽W ３＝２μm ,中间金属臂的宽度W ２＝５μm ,开口环开口尺寸W ４＝１μm ,沿x 和y 方向的周期相同,为L ＝６０μm ．２㊀仿真结果及特性分析为了验证所提出的结构具有高折射率特性,采用电磁仿真软件C S T M i c r o w a v e S t u d i o ２０１６的频域求解器,对其进行电磁仿真分析．在仿真中,通过将x 和y 方向边界条件设定为u n i t c e l l ,用以模拟周期结构;z 方向为电磁波的传输方向．假定电磁波垂直入射到单元结构表面上,对结构的S 参数进行仿真计算．由于超材料结构单元的几何尺寸远小于工作波长,因此可将其等效为均匀介质,即可以利用等效媒质理论对超材料的电磁特性进行分析．为了能够有效分析超材料的等效折射率,采用文献[１３]提出的反演方法对超材料的等效电磁参数进行反演计算,即n ＝１k d c o s －１１２S ２１(１－S ２１１＋S ２２１)[],(１)z ＝ʃ㊀(１＋S １１)２－S ２２１(１－S １１)２－S ２２１,(２)式中n 为超材料的折射率,z 为超材料的特性阻抗,S １１为反射系数,S ２１为透射系数,k 为入射波在自由空间中的波数,d 为超材料的等效厚度．折射率n 和特性阻抗z 与介电常数ε和磁导率μ之间的关系可以表示为ε＝n z ,(３)μ＝n z ．(４)图２(a )为仿真得到的反射系数S １１和透射系数S ２１曲线．从图２(a )中可以看出,反射系数S １１曲线在０．５２T H z 处出现谐振峰值,其峰值为０．９７,而透射系数S ２１曲线在０．９６T H z 处出现一个谐振峰,该谐振峰的峰值为０．９６．２(b )显示超材料的折射率曲线,由图可知,折射率峰值出现在０．５２T H z 处,为２００,且在０．５１到２T H z 的频率范围内,最小折射率超过７０．为了分析超材料实现高折射率的物理机理,本文进一步仿真了超材料的等效介电常数和等效磁导率,结果如图２(c )Ｇ(d )所示．从图２(c )可以看出,结构在０．５２T H z 处产生了谐振,因此在该频点附近出现了超高的等效介电常数,最大值达到约４０００,而从图２(d )进一步看出,在０．５２T H z 出的磁导率约为４．５,由n ＝㊀εμ可知在０．５２T H z 处的折射率近似等于２００,与图２(a )显示的结果是基本一致的．分析图２(c )和图２(d )可知,当频率高于０．５２T H z (即０．５１Ｇ２T H z 频率范围内)时,尽管等效介电常数急剧下降(从图２(a )可知),但是等效磁导率提高了不少,如在１．０Ｇ１．５T H z 范围内,等效磁导率整体高于１５,这使得超材料在宽频带范围内具有高的折射率．因此同时提高超材料的等效介电常数和等效磁导率是设计高折射率超材料一种有效方法．此外,从品质因数(F O M )角度分析了超材料的损耗．根据参考文献[１４,１５],F O M 表示为F O M ＝R e (n )/I m (n )．(５)当F O M 大于１０时,说明超材料具有低损耗特性．将图２(b )中的折射率的实部和虚部代入方程(５)得到０２㊀聊城大学学报(自然科学版)F O M 随频率的变化关系,如图３所示．图中显示,在０．５１T H z 到２T H z 的频率范围内,F O M 均大于１０,说明所提出的超材料在该频段具备低损耗特性．图２㊀(a )超材料结构的反射系数S １１和透射系数S ２１;(b )折射率n (c )介电常数ε(d )磁导率μ３㊀物理机理分析为了进一步研究高折射率的产生机理,观察了在等效介电常数和磁导率峰值处的电流分布,即在f ＝０．５２T H z 和f ＝０．９５T H z 处,超材料中上下金属表面上的表面电流分布,仿真结果如图４所示．图４(a )和４(b )为０．５２T H z 处,上㊁下层金属表面的表面电流,通过观察,发现上㊁下金属层的表面电流具有相同的方图３㊀F O M 随频率的变化关系向,说明此时对应电谐振,这将有效提高超材料在该频率附近的等效介电常数;而图４(c )和４(d )为０．９５T H z 处,上㊁下金属层的表面电流,可以看出,上㊁下金属层的表面电流方向相反,此时,上㊁下金属层的表面电流将与介质层中的位移电流共同形成环路电流,从而产生磁谐振．此次谐振所产生的磁矩和外加激励磁场的方向相同,形成顺磁效应,从而有效提高了磁导率．基于此,超材料在所研究的频段内的等效折射率得到了有效提高．此外,对比了单层金属结构和双层结构在各项性能上的异同．图５为单层和双层金属结构的等效介电常数㊁等效磁导率和折射率,仿真结果如图５(a )Ｇ(c )所示．从图５(a )可以看出,在０．８Ｇ２T H z 的频率范围内,双层金属结构比单层金属结构的介电常数高很多．从图５(b )中显示的结果看出,在０．５１Ｇ２T H z 的频率范围内,双层结构的等效磁导率高于单层结构的等效磁导率,尤其在０．９５T H z 处,双层结构的磁导率达到峰值,接近８０．由图４(c )Ｇ(d )中的表面电流分布可知,双层结构在该频点产生了磁谐振,且形成顺磁效应,这是导致双层结构比单层结构的等效磁效率高的根本原因．由于双层结构在０．５１Ｇ２T H z 频段内的等效介电常数和等效磁导率比单层结构的等效介电常数和等效磁导率高,这使得双层结构在该频段的等效折射率明显高于单层结构,如图５(c )所示．因此,采用双层结构是提高超材料等效折射率最有效的方法之一．１２第５期高喜,等:太赫兹频段高折射率超材料的设计和特性研究图４㊀f ＝０．５２T H z 处,(a )上层金属及(b )下层金属上的表面电流分布;(c )和(d )分别对应f ＝０．９５T H z 处,上㊁下两层金属的表面电流分布图５㊀单层和双层金属时太赫兹超材料的(a )等效介电常数(b )等效磁导率(c)折射率４㊀结论设计了一种基于 双开口环 型的高折射率超材料结构,利用C S T 电磁仿真软件对超材料的等效折射率进行了模拟仿真．研究结果表明,在０．５１Ｇ２T H z 频段内,超材料的折射率均大于７０,且在０．５２T H z 处,折射率达到峰值２００．同时,通过观察特殊频点(电谐振和磁谐振对应的频点)的表面电流分布,深入分析了超材料产生高折射率的物理机理．该高折射率超材料具有损耗低㊁频带宽等优点,在太赫兹波通信㊁成像等方面有广阔的应用前景．参㊀考㊀文㊀献[１]㊀S m i t hDR ,K r o l lN．N e g a t i v e r e f r a c t i v e i n d e x i n l e f t Ｇh a n d e dm a t e r i a l s [J ]．P h ysR e vL e t t ,２０００,８５(１４):２９３３Ｇ２９３６．[２]S m i t hDR ,P a d i l l aWJ ,V i e r DC ,e t a l ．C o m p o s i t em e d i u mw i t h s i m u l t a n e o u s l y n e g a t i v e p e r m e a b i l i t y a n d p e r m i t t i v i t y [J ]．P h ysR e vL e t t ,２０００,８４(１８):４１８４Ｇ４１８７．[３]E n o c hS ,T a y e b ,S a b o u r o u xP ,e t a l ．A m e t a m a t e r i a l f o r d i r e c t i v e e m i s s i o n [J ]．P h y sR e vL e t t ,２００２,８９(２１):２１３９０２．[４]C h o iM ,L e eSH ,K i m Y ,e t a l ．At e r a h e r t zm e t a m a t e r i a lw i t hu n n a t u r a l l y h i gh r e f r a c t i v e i n d e x [J ]．N a t u r e ,２０１１,４７０(７３３４):３６９Ｇ３７３．２２㊀聊城大学学报(自然科学版)[５]X i a oS ,D r a c h e v V P ,K i l d i s h e v A V ,e ta l ．L o s s Ｇf r e e a n d a c t i v e o p t i c a ln e ga t i v e Ｇi n d e x m e t a m a t e r i a l s [J ]．N a t u r e ,２０１０,４６６(７３０７):７３５Ｇ７３８．[６]A r i s t e i d i sK ,L i d o r i k i sE ,M i h a i I ,e t a l ．S u r f a c e Ｇp l a s m o n Ｇa s s i s t e d g u i d i n g o fb r o a d b a n d s l o wa n ds u b w a v e l e n g t h l i g h t i na i r [J ]．P h ysR e v L e t t ,２００５,９５(６):０６３９０１．[７]S h i Z ,B o y dR W ,C a m a c h oR M ,e t a l ．S l o w Ｇl i g h t f o u r i e r t r a n s f o r mi n t e r f e r o m e t e r [J ]．P h ysR e vL e t t ,２００７,９９(２４):２４０８０１．[８]S h e n JT ,C a t r y s s ePB ,F a nS ．M e c h a n i s mf o r d e s i g n i n g m e t a l l i cm e t a m a t e r i a l sw i t hah i g h i n d e xo f r e f r a c t i o n [J ]．P h ysR e vL e t t ,２００５,９４(１９):１９７４０１．[９]J o n g h w aS h i n ,J u n g ＧT s u n g S h e n ,S h a n h u i F a n ．T h r e e Ｇd i m e n s i o n a lm e t a m a t e r i a l sw i t ha nu l t r a Ｇh i ghe f f e c t i v e r e f r a c t i v e i n d e xo v e rb r o a d b a n d w i d t h [J ]．P h y s i c a l r e v i e wl e t t e r s ,２００９,１０２(９):０９３９０３．[１０]C h o iM ,L e eSH ,K i m Y ,e t a l ．At e r a h e r t zm e t a m a t e r i a lw i t hu n n a t u r a l l y h i gh r e f r a c t i v e i n d e x [J ]．N a t u r e ,２０１１,４７０(７３３４):３６９Ｇ３７３．[１１]T a nS ,Y a nF ,S i n g hL ,e t a l ．T e r a h e r t zm e t a s u r f a c e sw i t hah i g hr e f r a c t i v e i n d e xe n h a n c e db y t h e s t r o n g n e a r e s t n e i g h b o r c o u p l i n g[J ]．O p t i c sE x p r e s s ,２０１５,２３(２２):２９２２２．[１２]S i n g hL ,S i n g h ,R a n j a n ,e t a l ．U l t r a Ｇh i g h t e r a h e r t z i n d e x i nd e e p s u b w a v e l e n g t hc o u p l e db i Ｇl a y e r f r e e Ｇs t a n d i n g fl e x i b l em e t a m a t e r i a l s [J ]．J o u r n a l o fA p p l i e dP h ys i c s ,２０１７,１２１(２３):２０７５Ｇ２０８１．[１３]C h e nX ,G r z e g o r c z y kT M ,W uB I ,e t a l ．R o b u s tm e t h o d t o r e t r i e v e t h e c o n s t i t u t i v ee f f e c t i v e p a r a m e t e r so fm e t a m a t e r i a l s [J ]．P h ysR e v E ,２００４,７０(１):０１６６０８．[１４]V a l e n t i n eJ ,Z h a n g S ,Z e n t g r a f T ,e ta l ．T h r e e Ｇd i m e n s i o n a lo p t i c a l m e t a m a t e r i a l w i t h a n e ga t i v e r e f r a c t i v ei n d e x [J ]．N a t u r e ,２００８,４５５(７２１１):３７６Ｇ３７９．[１５]C h e nY u a n y u a n ,H u a n g S h a n h o n g ,Y a nX i a o n a ,e t a l ．E l e c t r o m a g n e t i c t u n n e l i n g t h r o u g hc o n j u g a t e ds i n g l e Ｇn e g a t i v em e t a m a t e r i a l p a i r s ,a n dd o ub l e Ｇp o s i t i v e l a y e rw i t hh i g h Ｇm a g n e t ic f i e ld s [J ]．C h i nO p tLe t t ,２０１４,１２(１０):１０１６０１Ｇ１０１６０５．D e s i g na n dC h a r a c t e r i s t i c s o fH i g hR ef r a c t i v e I n d e xM e t a m a t e r i a l s i nT e r a h e r t zG A OX i ㊀Z HA N G Y a n(S c h o o l o f I n f o r m a t i o na n dC o m m u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g ,G u i l i nU n i v e r s i t y o fE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y ,G u i l i n５４１００４,C h i n a )A b s t r a c t ㊀W e p r o p o s e d a h i g h r e f r a c t i v e i n d e xm e t a m a t e r i a l t h a t i s f o r m e db y s y m m e t r i c a l l y e t c h i n g a ＂d o u b l e s p l i t r i n g ＂t y p e dm e t a l p a t c ho nb o t h s i d e s o f a d i e l e c t r i c p l a t e ．T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t ,f o r n o r m a l l y i n c i d e n t e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ,t h e r e f r a c t i v e i n d e x i n t h e f r e q u e n c y r a n ge f r o m０．５１Ｇ２T H z i s g r e a t e r t h a n７０a n dt h e r e f r a c t i v e i n d e xu p t o２００a t ０．５２T H z ．T h em e t a m a t e r i a l h a s t h ea d v a n t a g e so f s i m p l e s t r u c t u r e a n dw i d e b a n d ,w h i c hm a k e s t h e p r o p o s e dm e t a m a t e r i a l h a v e b r o a d a p p l i c a t i o n p r o s pe c t s i n t e r a h e r t zw a v e c o m m u n i c a t i o na n d i m a g i n g ．K e y w o r d s ㊀t e r a h e r t z ;m e t a m a t e r i a l ;h i g h r ef r a c t i v e i n d e x ３２第５期高喜,等:太赫兹频段高折射率超材料的设计和特性研究。
第10章-太赫兹波的产生与检测
对太赫兹信号的探测是另一个活跃的研究领域。由于太赫兹源发射功率较低，而热背景噪声相对较高， 需要高灵敏度的探测手段探测太赫兹信号。在对宽波段的探测中，基于热吸收的直接探测是最常用的手段。 这些都需要用冷却的方法降低热背景，最常用的装置是利用液 He 冷却的 Si、Ge 和 InSb 热辐射测量仪， 另外热电的红外测量仪器在太赫兹的波段也是可以使用的。利用 Ni 在超导态和正常态之间的转变，应用 超导技术，已研制成功了非常灵敏的热辐射测量仪。干涉仪技术也可以用来直接得到光谱信息，最近的研 究还实现了太赫兹光子的单光子探测器。这种探测装置利用包含一个量子点的单光子晶体管工作在强磁场 中，得到其他方法所不能达到的灵敏度。尽管测量的速度现在仍被限制在 1 ms 左右，但目前已经有人提 出了高速探测的设想，并且这将在太赫兹探测领域引发新的革命。
这两种产生 THz 电磁波的方法中，用光电导天线辐射的 THz 电磁波能量通常比用光整流效应产生的 THz 波能量强。因为光整流效应产生的 THz 波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量，而光电导天线 辐射的 THz 波的能量主要来自天线上所加的偏置电场，这可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强 的 THz 波。例如用功率为 2 mW 的激光脉冲人射光电导天线可以产生平均功率为 3 μW 的 THz 波．用功率 为 175 mW 的激光脉冲激发非线性介质通过光整流效应产生 THz 波的平均功率只有 30 nW。但是，光电导 天线产生的 THz 电磁波的频率较低，而光整流产生的 THz 电磁波的频率较高。 10．1．3 太赫兹的探测
太赫兹导引头
太赫兹导引头以太赫兹导引头（Terahertz waveguide header）是一种用于引导以太赫兹波的装置，它具有很高的波导传输效率和较低的传输损耗。
以太赫兹波（Terahertz wave）是介于红外与微波之间的电磁波，具有非常重要的潜在应用价值。
以太赫兹波的频率范围从100 GHz 到10 THz，波长范围从3000微米到30微米。
以太赫兹波在无线通信、生物医学成像、安全检测等领域都具有广阔的应用前景。
以太赫兹波的引导与传输一直是个难题，由于其波长较短，穿透深度有限，容易受到空气中吸收、散射和反射等因素的影响。
因此，设计高效的以太赫兹导引头对于以太赫兹波的应用具有重要意义。
以太赫兹导引头的设计需要考虑以下几个方面：波导材料的选择、波导结构的设计和优化、波导之间的连接等。
波导材料的选择是基础，常见的材料有金属、介质和半导体。
金属具有良好的导电性能，但会引起较大的损耗；介质材料通常具有较低的损耗，但需要满足一定的折射率和介电常数要求；半导体材料由于其特殊的电学性质，在以太赫兹波导中也有广泛应用。
波导结构的设计和优化是提高以太赫兹导引头性能的关键。
常见的波导结构有矩形波导、金属隧道波导和光子晶体波导等。
矩形波导是一种简单的结构，具有较高的传输效率和较低的传输损耗，但在实际应用中需要注意尺寸和制备工艺的限制；金属隧道波导通过金属纳米结构形成的隧道来引导波导，具有较大的传输带宽和较低的传输损耗；光子晶体波导则是利用周期性结构的光子晶体来引导波导，具有较高的传输效率和较低的传输损耗。
波导之间的连接也是以太赫兹导引头设计的重要考虑因素。
常见的连接方式有直接焊接、光纤连接和微带线连接等。
直接焊接是一种常用的连接方式，可以实现较低的传输损耗和较高的耦合效率；光纤连接可以实现远距离传输和较大的传输带宽，但需要注意光纤与波导之间的匹配问题；微带线连接是一种简单、灵活的连接方式，适用于小尺寸和集成化的应用。
除了以上几个方面，以太赫兹导引头设计还需要考虑波导的模式耦合和优化、波导的阻抗匹配、传输损耗的补偿等问题。
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波 段 光 子 晶体 基 本 几 何 参 数 的 尺 寸 范 围 ， 重点分 析了器件 高度和传播方 向上周期性 单元个数 对 Ｔ Ｈｚ波 传 输 性 能 的影 响 ． 研究结果表 明， 光 子 晶体 的 通 带 透 过 率 随 着 光 子 晶 体 柱 或 孔 高 度 增 加 而 显 著 增 加 ， 保 证 柱 或 孔 高 度 大 于 入射 光 波 长 是 Ｔ Ｈｚ 光 子 晶体 加 工 中 的一 个 重 要 要 求 ； 光 子 晶体 沿 传 播 方 向行 数 越 多 ， 光 子 禁 带 内 的 透 过 率 就 越低， 消光 比越高 ， 通带边沿 就越陡峭 ， 但 通带的透过率会 随着器件长度增加 而下 降， 设 计 器 件 时 需 要 折 中 考 虑 这 两 个 因 素 的相 互 制 约关 系 ， 确定最佳器件尺寸． 研 究 结 果 为 ＴＨ ｚ光 子 晶 体 的器 件 结 构 设 计 和 微 加 工 工 艺 设 计
Ｖｏ１ ． ４８ Ｎ＿ Ｏ ２ Ａｐ ｒ ．２ ０１ ５
文章 编 号 ： ０ ４ ６ ５ — ７ ９ ４ ２ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ — ０ ０ ８ ５ — ０ ７
微 加 工 中几何 尺 度对 太 赫 兹光 子 晶体 传 输 性 质 的影 响
指 导 ．
关键 词 ： 光 子 晶 体 ；太 赫兹 波 ； 光 子 带 隙
中图分类号 ： ０４ ３ ９ 文献 标 识 码 ： Ａ
０ 引
言
光 子 晶体 是波 长量 级 的介 质或 金属 材 料在 空 间周 期性 排布 形成 的 人工 微结 构 ， 使 得此 波 长 附近 的 电 磁 波 在光 子 晶体 中 的波传 播行 为类 似 于 固体物 理 中 电子在 晶体 中的行 为 ， 有很 多 特殊 的性质 ， 如： 光 子 带
Ｔ Ｈｚ光 子 晶体 平 板 耦合 和 传 输 方 面开 展 了重 要 的实 验研 究 工 作口 ． 他 们 采 用集 成 高 阻硅 透 镜 的方 式 将 Ｔ Ｈｚ 波 耦合 到 光 子 晶体 线缺 陷 波导 ， 并 测量 了光 子 晶体 微腔 的谐振 谱 线 和 Ｑ 值． Ｍｉ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍａ ｎ等人 在 Ｔ Ｈｚ
第４ ８卷
第 ２期
南 开 大 学 学 报（ 自然 科 学版 ）
Ａｃ ｔ ａ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｒ ｕ ｍ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｉ ｕ ｍ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｓ Ｎａ ｎ ｋ ａ ｉ ｅ ｎ ｓ ｉ ｓ
２ ０ １ ５ 年 ４ 月
Ｔ Ｈｚ 光 子 晶体 的晶格 周期 与 Ｔ Ｈｚ波 长相 当 ， 在几 十到 百 ｇ ｍ 量级 ． ＴＨｚ 光 子 晶体 需要 一 定 的柱 高 度
或孔深 度 ， 实 际是 准 ３维结 构 ， 加工 深度也 需要 在 百 ｍ 量 级 以上 ， 普通 半 导体 刻蚀 工艺 无法 达 到此 深度 ； 而对其 加工 的精 度要 求一般 在 ｍ 量级 ， 与微 纳米 光 刻相 比是很 低 的精 度要 求 ， 因此 普通 半 导体 工艺 并 不 适合 Ｔ Ｈｚ光子 晶体 的加工 ． 而 现代 微加 工技 术 中的深 度反应 离 子刻蚀 、 激 光烧蚀 、 金 刚石刀 具微 机 械加 工 等 工艺 能够 满足 这种 亚毫米 尺 度 的、 微米 精度 的加 工要 求．
在 光 子 晶体 器件 加 工 和实 验方 面 ， Ｇｒ ｉ ｓ ｃ ｈ ｋ ｏ ｗｓ ｋ ｙ等对 ２维光 子 晶 体 的 ＴＨｚ波 传输 性 质 的研 究 做 出
了重要 贡 献 ， 他 们 利用 Ｐ ＭＭＡ 光 刻胶 直接 光 刻 曝光 去 胶后 形成 高 度 为 ７ ０／ ｚ ｍ 左 右 的光 子 晶体 柱 阵列 结
（１ ．天 津 城 建 大 学 理 学 院 ， 天津 ３ ０ ０ ３ ８ ４ ； ２ ．南 开大 学 现代 光 学 研 究 所 ， 天津 ３ ０ ０ ０ ７ １） 摘要： 太赫兹 （ Ｔ Ｈ ｚ ） 光 子 晶体 的 研 究 在 近 些 年 得 到 快 速 发 展 ， 对 其 传 输 性 质 和 相 关 功 能 器 件 的研 究 都 有 广
隙特性 ｚ － 、 光 子局 域特 性 引 、 色 散特性 ［ ４ ］ 、 偏振 选 择特 性 ＿ ５ ］ 、 导模 谐 振特 性 ［ ６ ］ 等 等． 随着太 赫 兹 （ ＴＨｚ ） 科 学
技 术 的兴 起 ， Ｔ Ｈｚ光 子 晶体 的研 究 在近 些 年得 到 快速 发 展 ， 对 其 传 输性 质 和相 关 功 能器 件 的研 究 都 有 广
构， 并 在实 验上 研究 了 ２维 聚合 物介 质 光子 晶体 柱 、 金属 光 子 晶体柱 、 线 缺 陷和 多 种点 缺 陷光 子 晶体 柱 波
导 的 ＴＨｚ 波 传 输性 质 ［ １ １ － １ ． Ｙｅ ｅ等人 在 高 阻 硅基 底 上 利 用激 光 烧蚀 打孔 形 成 ＴＨ ｚ光 子 晶体 平 板 ， 并 在
泛报道， 涉 及 分束 器 、 滤波 器 、 开关 、 调制 、 传感、 超透镜、 超 棱 镜等 ＿ ７ ， 但大 多都 是 理论 模 拟 ， 很少 从 器 件
微 加 工和 实 验要 求 的角度 讨论 器 件 的结构 设计 问题 ． 抛开 Ｔ Ｈｚ器件 的实 际几何 尺度 来研 究 其理 论 性 质 ， 而不考 虑器 件加 工 和设计 中 的工艺 限制 ， 将大 大 限制 Ｔ Ｈｚ 光 子 晶体研究 和应用 的进 一步发 展 ．
＊ 收稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — １ ０ — １ ４ 基 金 项 目 ：国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （ ８ ６ ３计 划 ） （ ２ ０ １ １ ＡＡ０ １ ０ ２ Ｏ ５ ） ； 国家重点基 础研究发 展计划 （ ９ ７ ３项 目 ） （ ２ Ｏ １ ４ Ｃ Ｂ ３ ３ ９ ８ Ｏ ０ ） ； 国 家 自然科 学基 金 （ ６ １ １ ７ １ ０ ２ ７ ） 作 者 简 介 ：姚 橙 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 女， 天津人 ， 副教授 ， 研究 方 向： 大学物理 理论 和实验教 学． Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ：Ｙ ａ ｏ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ８ ０ ０ ８ ＠１ ６ ３ ．