專利名稱：：一種高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種傳輸太赫茲波的多孔導(dǎo)波纖維，主要用于太赫茲波的單偏振保持傳輸以及太赫茲偏振傳感領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：由于在傳感、通訊、安檢、國防、材料、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域具備重大應(yīng)用價值，太赫茲技術(shù)成為各國研究者普遍關(guān)注的一個熱點研究領(lǐng)域。太赫茲波導(dǎo)對于太赫茲系統(tǒng)的小型化及靈活性的提高有重要價值。由于幾乎所有材料對太赫茲輻射都有較強吸收，有很大一部分工作都集中在低損耗的太赫茲波導(dǎo)方面。例如，金屬微線波導(dǎo)、亞波長塑料波導(dǎo)、空心光子晶體波導(dǎo)等都可以在一定程度上降低損耗。最近，報道了幾種聚合物多孔波導(dǎo)，這些波導(dǎo)可以有效降低太赫茲波的傳輸損耗，并有可能獲得實際應(yīng)用。但對雙折射太赫茲波導(dǎo)的研究尚且不足，只有少量研究成果見諸報道，不過它們對于偏振太赫茲傳輸、濾波、傳感等有重要價值，非常值得關(guān)注。2008年，S.Atakaramians及其合作者提出了在多孔太赫茲波導(dǎo)中引入矩形孔實現(xiàn)雙折射的方法，但考慮到材料的表面張力，在制作中很難保證矩形孔的形狀，這種波導(dǎo)的制備相當(dāng)困難。并且這種雙折射太赫茲波導(dǎo)其雙折射系數(shù)固定而不可調(diào)節(jié)，其具體應(yīng)用也受到限制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種制備方法簡單的高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)。一般而言，在波導(dǎo)中傳輸?shù)幕？煞纸鉃閮蓚€偏振模式x和y偏振模式，定義雙折射系數(shù)5:其中，w^和"^分別為波導(dǎo)x和y偏振模式對應(yīng)的有效折射率。對于普通的圓形多孔波導(dǎo)而言，其偏振模式簡并，雙折射系數(shù)S-0。本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思是通過側(cè)向擠壓圓形多孔太赫茲波導(dǎo)而形成橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)，使波導(dǎo)由原先的高階旋轉(zhuǎn)對稱性降低為二階旋轉(zhuǎn)對稱性，造成簡并模式分裂，"^^"^，因此產(chǎn)生雙折射。通過數(shù)值仿真，可以發(fā)現(xiàn)橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的雙折射系數(shù)比其他類型雙折射太赫茲波導(dǎo)高出許多。并且通過側(cè)向擠壓，可以方便地調(diào)節(jié)本發(fā)明橢圓形多孔太赫茲波導(dǎo)的雙折射系數(shù)的大小。為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是該高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的橫截面上分布有橢圓形的空氣孔陣列。進一步地，本發(fā)明波導(dǎo)的橫截面的外邊界呈橢圓形。本發(fā)明高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的制備方法是先將圓形微細管聚集成束；后使用熱塑套管將聚集成束的圓形微細管進行封裝；再對熱塑套管的側(cè)壁進行擠壓使熱塑套管內(nèi)的微細管呈橢圓形。調(diào)節(jié)本發(fā)明高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的雙折射系數(shù)的方法包括如下步驟，步驟一利用有限元仿真計算得到橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的形變和雙折射系數(shù)之間的關(guān)系；步驟二根據(jù)步驟一得到的形變和雙折射系數(shù)之間的關(guān)系，確定該波導(dǎo)要達到的雙折射系數(shù)所對應(yīng)的波導(dǎo)形變量；步驟三甩兩塊平板夾持橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)，并通過縮小所述兩塊平板之間的距離對該波導(dǎo)進行側(cè)向擠壓，利用CCD攝像機實時監(jiān)測該波導(dǎo)的形變直至達到步驟二所確定的波導(dǎo)形變量。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點是(1)由于本發(fā)明橢圓形多孔太赫茲波導(dǎo)中引入了亞波長尺度的多空氣孔陣列，且在其中傳輸?shù)奶掌澆▋A向于在空氣孔內(nèi)有較高的場強，通過適當(dāng)優(yōu)化該波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使得大部分太赫茲波功率在波導(dǎo)內(nèi)無損耗的空氣孔中傳輸，這可以大幅度降低本發(fā)明橢圓形多孔太赫茲波導(dǎo)的傳輸損耗；(2)由于本發(fā)明空氣孔陣列為橢圓形，因此雙折射系數(shù)高且可調(diào)、制作成本低、易于實用。圖1是擠壓前的圓形多孔太赫茲波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是將圖1的圓形波導(dǎo)擠壓后獲得的本發(fā)明橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明對橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的雙折射系數(shù)進行調(diào)節(jié)時的示意圖；圖4是本發(fā)明四種不同空氣孔尺寸的橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)在1.6THz頻率范圍內(nèi)的雙折射系數(shù)和頻率的關(guān)系圖5是本發(fā)明空氣孔尺寸滿足rf/A-0.95的橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)在1.6THz頻率范圍內(nèi)的相對損耗和頻率的關(guān)系圖。具體實施例方式圖1和圖2示出了本發(fā)明橢圓形多孔太赫茲波導(dǎo)擠壓前后的結(jié)構(gòu)變化。如圖1所示，本發(fā)明橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)在擠壓前其外邊界1和空氣孔2的橫截面均為圓形。通過對圖1所示的圓形多孔太赫茲波導(dǎo)進行側(cè)向擠壓得到圖2所示的本發(fā)明多孔太赫茲波導(dǎo)，該波導(dǎo)的橫截面上分布有橢圓形的空氣孔4陣列。橢圓形的空氣孔4可使太赫茲波導(dǎo)具有高雙折射和低的傳輸損耗。本發(fā)明太赫茲波導(dǎo)的橫截面的外邊界3可如圖2所示呈橢圓形。本發(fā)明橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的制備方法如下先將圓形微細管聚集成束；后使用熱塑套管將聚集成束的圓形微細管進行封裝；再對熱塑套管的側(cè)壁進行擠壓使熱塑套管內(nèi)的微細管呈橢圓形。本發(fā)明波導(dǎo)可選用低吸收系數(shù)的聚合物材料加工制作，例如高密度聚乙烯、特氟龍等，以有效降低太赫茲波的傳輸損耗。利用本發(fā)明的方法所制得的橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)可通過側(cè)向擠壓的方式獲得所需的不同的雙折射系數(shù)。具體來說包括如下步驟步驟一利用有限元仿真計算得到橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的形變和雙折射系數(shù)之間的關(guān)系；步驟二根據(jù)步驟一得到的形變和雙折射系數(shù)之間的關(guān)系，確定該波導(dǎo)要達到的雙折射系數(shù)所對應(yīng)的波導(dǎo)形變量；步驟三如圖3所示，用兩塊安裝在固定支架7上的平板，即第一平板5和第二平板6夾持橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)，并通過縮小第一平板5和第二平板6之間的距離對該波導(dǎo)進行側(cè)向擠壓使橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的外邊界3和空氣孔4為橢圓形；利用CCD攝像機實時監(jiān)測該波導(dǎo)的形變直至達到步驟二所確定的波導(dǎo)形變量。如圖1和圖2所示，Z)、A和d分別表示未擠壓前多孔太赫茲波導(dǎo)的外邊界1的直徑、空氣孔2的晶格常數(shù)和直徑，其中/)=7八。A、D"《和《分別為擠壓后橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)外邊界3及空氣孔4的長軸直徑和短軸直徑，它們分別滿足如下關(guān)系",=/7"、"，="/7、《-7"和^=^7。其中，"為擠壓系數(shù)，它表示本發(fā)明橢圓形多孔太赫茲波導(dǎo)相對于擠壓前圓形多孔太赫茲波導(dǎo)的擠壓程度。當(dāng)擠壓前圓形多孔太赫茲波導(dǎo)外邊界1的直徑"=262.5戸、空氣孔2的晶格周期A-37.5/^、空氣孔2的直徑d-30/zm、波導(dǎo)材料的折射率為1.5、太赫茲波頻率為lTHz時，x和y偏振模式有效折射率及波導(dǎo)雙折射系數(shù)隨波導(dǎo)形變量的變化而變化，如表1所示。由表1可見，當(dāng)擠壓系數(shù)7較小時，雙折射系數(shù)5相對于擠壓系數(shù)7的變化接近線性。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>當(dāng)擠壓前圓形多孔太赫茲波導(dǎo)外邊界1的直徑Z)-525;/m、空氣孔2的晶格周期八=75/^、空氣孔2的直徑^=60/^、波導(dǎo)材料的折射率為1.5、太赫茲波頻率為lTHz時，x和y偏振模式有效折射率及波導(dǎo)雙折射系數(shù)隨波導(dǎo)形變量的變化如表2所示。由表2表明本發(fā)明多孔太赫茲波導(dǎo)的雙折射系數(shù)5隨波導(dǎo)形變量的變化規(guī)律和表1的相同。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>當(dāng)擠壓前圓形多孔太赫茲波導(dǎo)外邊界1的直徑"=420/^、空氣孔2的晶格周期A-6(V/附、波導(dǎo)材料的折射率為1.5時，對四種不同空氣孔尺寸，即空氣孔2的直徑與晶格常數(shù)之比rf/A分別為0.7、0.8、0.9和0.95的圓形多孔太赫茲波導(dǎo)以擠壓系數(shù)7=1.5分別進行擠壓，得到橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)。在1.6THz的太赫茲波頻率以內(nèi)，本發(fā)明橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的雙折射系數(shù)隨頻率的變化規(guī)律如圖4所示。曲線8、9、10和ll分別與d/A為0.7、0.8、0.9和0.95時本發(fā)明橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的雙折射系數(shù)隨頻率的變化規(guī)律相對應(yīng)。圖4表明，本發(fā)明橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)在較寬的頻率范圍內(nèi)都具有較高的雙折射系數(shù)。另外如圖5所示，曲線a表示本發(fā)明橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的x偏振模式的相對損耗與太赫茲波頻率的關(guān)系；曲線b表示本發(fā)明橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的y偏振模式的相對損耗與太赫茲波頻率的關(guān)系；曲線c表示作為參考的外徑為420;/附的實心波導(dǎo)的相對損耗與太赫茲波頻率的關(guān)系。其中，"相對損耗"是指波導(dǎo)傳輸損耗與波導(dǎo)材料的吸收系數(shù)之比。如圖5所示，當(dāng)空氣孔2的直徑與晶格常數(shù)之比d/A-0.95時，可以發(fā)現(xiàn)，在整個頻段內(nèi)，本發(fā)明橢圓形多孔太赫茲波導(dǎo)x偏振模式和y偏振模式的損耗系數(shù)相對于實心波導(dǎo)都有明顯降低。當(dāng)太赫茲波頻率為lTHz時，x偏振模式和y偏振模式的傳輸損耗降低至波導(dǎo)材料吸收系數(shù)的1/5倍和1/8。對于頻率低于lTHz的太赫茲波而言，本發(fā)明橢圓形多孔太赫茲波導(dǎo)的傳輸損耗降低有更大程度的降低。權(quán)利要求1.一種高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)，其特征是該波導(dǎo)的橫截面上分布有橢圓形的空氣孔陣列。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)，其特征是該波導(dǎo)的橫截面的外邊界呈橢圓形。3.—種權(quán)利要求1的高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的制備方法，其特征是-先將圓形微細管聚集成束；后使用熱塑套管將聚集成束的圓形微細管進行封裝；再對熱塑套管的側(cè)壁進行擠壓使熱塑套管內(nèi)的微細管呈橢圓形。4.一種調(diào)節(jié)權(quán)利要求1的高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的雙折射系數(shù)的方法，其特征是包括如下步驟，步驟一利用有限元仿真計算得到橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的形變和雙折射系數(shù)之間的關(guān)系；步驟二根據(jù)步驟一得到的形變和雙折射系數(shù)之間的關(guān)系，確定該波導(dǎo)要達到的雙折射系數(shù)所對應(yīng)的波導(dǎo)形變量；步驟三用兩塊平板夾持橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)，并通過縮小所述兩塊平板之間的距離對該波導(dǎo)進行側(cè)向擠壓，利用CCD攝像機實時監(jiān)測該波導(dǎo)的形變直至達到步驟二所確定的波導(dǎo)形變量。全文摘要本發(fā)明公開了一種高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)，主要用于太赫茲波的單偏振保持傳輸以及太赫茲偏振傳感領(lǐng)域。為克服現(xiàn)有技術(shù)的波導(dǎo)制備困難、雙折射系數(shù)固定而不可調(diào)節(jié)的缺陷，本發(fā)明高雙折射橢圓多孔太赫茲波導(dǎo)的橫截面上分布有橢圓形的空氣孔陣列；進一步地，本發(fā)明波導(dǎo)的橫截面的外邊界也呈橢圓形。本發(fā)明的優(yōu)點是傳輸損耗低、雙折射系數(shù)高且可調(diào)、制作成本低、易于實用。文檔編號G02B6/10GK101630040SQ200910102128公開日2010年1月20日申請日期2009年8月13日優(yōu)先權(quán)日2009年8月13日發(fā)明者治洪,陳海濱申請人:中國計量學(xué)院