thz波导辐射输出金属薄膜微结构的设计研究

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1、THz波导辐射输出金属薄膜微结构的设计研究DesignandstudyonradiationcharacteristicsofaTHzemittingwaveguideperiodicallyloadedwithmetallicmicro-structuredgratings领域：光学工程研究生：牛学卉指导教师：杨天新教授企业导师：天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一四年六月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他

2、教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要随着太赫兹波（THz波）在国家安全、星际通信、生物检测等方

3、面的应用潜力，人们对THz辐射的需求日益增长。随着通信技术的发展，在使用光学方法产生THz辐射的系统中，使用技术成熟的通信波段光源即中心波长1550nm的光纤飞秒激光器作为泵浦，以代替中心波长800nm成本昂贵的的钛宝石激光器成为可能。本课题的工作是国家自然科学基金面上项目“新型混合波导THz发射器件的设计与制备研究”（批准号：64072011）的一部分。通过光整流在Air-GaAs-Si非对称波导结构中产生宽带太赫兹脉冲作为前提，本文在Air-GaAs-Si非对称波导上引入金属光栅薄膜微结构，设计出了能够将脉冲形式的宽带太赫兹辐射耦合输出到空气中的周期不连续波导结构。本文

4、分析了多层平板波导的矩阵理论及本征模的求解，针对有金属栅的周期不连续波导结构，分别数值模拟计算了在不同频率（0.5THz、1THz、2THz、3THz）下，非对称介质波导（Air-GaAs-Si）与覆盖不同厚度（1.5nm、8nm、10nm、116nm）金薄薄膜波导（Si-GaAs-Au-Air）中芯层导模的复传播常数。依据完全匹配层边界条件下的平板波导理论，分析并推导出了在完全匹配层边界条件下，非对称介质平板波导（Air-GaAs-Si）和覆盖金属薄膜的非对称平板波导（Si-GaAs-Au-Air）中存在的完备的本征模式集合，从而得到本征模场的空间分布特性。再利用本征模展

5、开法，推导出了THz辐射输出周期不连续波导的基本单元内界面处的光学传输矩阵，进而根据重复单元的周期性，得到THz辐射输出周期不连续波导的反射率、透射率和辐射率关系。关键词：太赫兹波平板波导金属薄膜完全匹配层数值模拟万方数据ABSTRACTTheterahertz(THz)frequencyrangethatcoversfrom0.1to10THzhasbecomeafrontierforresearchinphysics,chemistry,biology,materialsscience,andmedicine.Recently,significantadvancesin

6、THzscienceandtechnologyhaveopenedupawiderangeofpotentialresearchopportunities.It’spossibletousingthelowcostfiberlaserwhosecenterwavelengthis1550nmtoreplacetheexpensiveTi-Sapphirelaserasthedevelopmentoftechnology.ThesubjectisalsopartoftheNationalNaturalScienceFoundationproject"Newhybridwave

7、guidedevicedesignandfabricationforTHzemitters"(GrantNo.:64072011).Inthispaper,onthebasisofAir-GaAs-SiasymmetricalwaveguidestructureofTHzgenerationbyopticalrectification,toreducethenumberofextraprocessingstepsforfabrication,acompactmetalgratingcoupleronthesurfa