太赫兹时域谱对液体材料的研究暨太赫兹液芯介质波导

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太赫兹(THz)技术在很多领域具有巨大的应用前景,目前世界上很多国家和地区,包括美国、日本、欧洲以及中国都将太赫兹技术选定为21世纪重点研发的科学技术。随着太赫兹技术的发展,太赫兹传输方式的研究越来越受到广泛的关注,成为太赫兹科学发展中的关键技术之一。国内外已有多个研究小组开展了这方面的研究工作,提出了各种结构的太赫兹传输线如:圆波导和矩形波导、塑料带、蓝宝石光纤、光子晶体光纤、平行板波导、金属导线、亚毫米同轴线等等。本工作中,采用太赫兹时域谱(TDS)的方法,研究了多种液体材料在太赫兹波段的介电特性,提出了一种新型的低损耗太赫兹传输线——液芯介质波导。  首先,从太赫兹波在样品界面的反射、透射的基本模型出发,对于液体的介电特性参数的计算公式进行了比较全面的推导,得到了比前人更为合理、精确的复折射率的表达式。同时对求解折射率、消光系数(吸收率)方法进行了讨论。在低损耗样品条件下,表达式得到大大简化,可以得到解析表达式;在高损耗条件下,求解一个二元非线形方程组,采用牛顿迭代法进行数值计算。  对多种非极性有机溶剂,在0.2到2.5GHz围内进行了太赫兹时域谱测量,采用我们推导出的计算公式和算法对测量数据进行计算,得到了液体材料的吸收系数和折射率。将测量的数据与文献中微波波段与红外波段的数据比较,折射率大小相当,这表明我们推出的计算公式与计算方法是正确的。  提出了一种液芯介质波导结构来进行太赫兹波的传输,针对这种双层圆介质的传输机制、传输模式、传输损耗等进行了全面的分析。根据对多种液体材料吸收系数和折射率的测量结果,发现液体石蜡折射率在太赫兹波段(0.2-2.5THz)折射率为1.462-1.468,这种材料性能稳定、价格低廉,因此选用液体石蜡作为芯层介质,同时用该波段折射率为1.42左右的聚四氟乙烯作为包层介质。  采用液体石蜡与聚四氟乙烯制备出液芯介质波导样品,分析了制备工作中影响液芯介质波导传输性能的各类因素,并在0.1THz的频率条件下测量了传输特性。液芯介质波导样品在0.1太赫兹频率下的吸收系数为0.055dB/cm(0.013/cm),这与普通的金属波导的理论值相当。对不同的弯曲度的液芯介质波导也进行了测量,测量结果表明当平均曲率达到0.028 cm-1,液芯介质波导的传输性能基本不受影响,这与理论计算结果相符(曲率≤0.068cm-1时,不会影响液芯介质波导的传输性能)。  本研究工作表明,双层圆液芯介质波导的结构,在传输太赫兹波时呈现出很好的传输效果。如果进一步提高材料的纯度和制作工艺精度,传输特性将会大幅度提高。作为一种新型的太赫兹传输线,它具有灵活、简易、方便、价格低廉等优点,相信在太赫兹技术突飞猛进发展的今天将会有非常好的应用前景。
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