本發(fā)明涉及寬帶真空輸出窗領(lǐng)域，具體涉及一種超寬帶太赫茲布魯斯特真空窗及其制備方法。

背景技術(shù)：

自然光在電介質(zhì)界面上反射和折射時(shí)，一般情況下反射光和折射光都是部分偏振光，只有當(dāng)入射角為某特定角時(shí)反射光才是線偏振光，其振動(dòng)方向與入射面垂直，此特定角稱為布儒斯特角。反射光與反射光路徑在同一平面上(稱為入射平面)，而平行于此平面的偏振光為P偏振光(TM模)，垂直于此平面的偏振光，為S偏振光(TE模)。當(dāng)同時(shí)有P偏振光和S偏振光以布魯斯特角入射時(shí)，P偏振光全部透射。

太赫茲波是振蕩頻率位于0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)的電磁波。近年來，全世界各國研究學(xué)者對太赫茲技術(shù)給予了極大關(guān)注，使得太赫茲波的產(chǎn)生、探測及應(yīng)用技術(shù)等都取得了很大進(jìn)步，形成了一個(gè)新興交叉學(xué)科領(lǐng)域——太赫茲科學(xué)技術(shù)。太赫茲技術(shù)在通信、生物醫(yī)療、雷達(dá)成像、無損檢測等方面具有重要作用。由于太赫茲可以提供高達(dá)10Gb/s以上的無線傳輸速率，太赫茲通信成為太赫茲技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。太赫茲波通信系統(tǒng)離不開各種太赫茲波功能器件的性能保障。雖然國內(nèi)外對于太赫茲波功能器件的研究已經(jīng)逐漸展開，但是太赫茲波功能器件作為太赫茲波科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，相比太赫茲波產(chǎn)生和檢測裝置及太赫茲波傳輸波導(dǎo)的快速發(fā)展，仍然需要投入大量的人力和物力進(jìn)行深入的探索和研究。

布魯斯特窗在太赫茲中應(yīng)用廣泛。隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，大功率的太赫茲源的地位越來越重要，而利用真空電子學(xué)方法產(chǎn)生的太赫茲輻射源是重要的一類。寬帶真空波源需要寬帶輸出系統(tǒng)，但是沒有滿足寬帶輸出的窗片，而布魯斯特窗恰好符合寬帶輸出的要求，能使電磁波完全透射，對工作頻率不敏感，幾乎沒有帶寬限制。目前國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都致力于這方面的研究，并取得了一定的進(jìn)展，但是至今還未有報(bào)道實(shí)現(xiàn)布魯斯入射角的超高真空封接窗的報(bào)道。現(xiàn)有的太赫茲波段布魯斯特窗往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且由于設(shè)計(jì)和工藝的原因，布魯斯特入射要求介質(zhì)窗片與入射波具有一定的夾角，使得圓波導(dǎo)的斜切口呈現(xiàn)出橢圓的切口面。超高真空密封要求封接陶瓷為圓對稱結(jié)構(gòu)，以此減少加工難度和保證焊接過程中應(yīng)力的對稱分布。如何將圓形窗片封接到橢圓形的切口上同時(shí)滿足太赫茲波布魯斯角傳輸要求和超高真空焊接的需求是布魯斯窗急需解決的設(shè)計(jì)和工藝難題。小型化、低成本的太赫茲波器件是太赫茲波技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，因此有必要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低的超高真空太赫茲布魯斯特窗以滿足未來太赫茲波技術(shù)應(yīng)用需要。

現(xiàn)有階段布魯斯特窗結(jié)構(gòu)一般包括：具有橢圓切面的圓柱波導(dǎo)、窗片固定器、窗片；其中，橢圓切面的圓柱波導(dǎo)、窗片固定器、窗片三者依次連接?，F(xiàn)有的這種布魯斯特窗結(jié)構(gòu)雖然可以滿足一般的光學(xué)要求，但是無法實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的真空密封。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際制作困難，成本高的不足，特別是解決太赫茲波段的超寬帶的真空密封的需求，以及在設(shè)計(jì)加工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力問題，本發(fā)明提供一種相對簡單結(jié)構(gòu)的超寬帶太赫茲布魯斯特真空窗及其制備方法。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種超寬帶太赫茲布魯斯特真空窗。

本發(fā)明的布魯斯特真空窗包括：法蘭、圓柱波導(dǎo)、窗片支撐架、圓形窗片；其中，圓柱波導(dǎo)的一端為圓端口，另一端以布魯斯特角切割，形成橢圓切面；圓柱波導(dǎo)的圓端口焊接在法蘭上，法蘭與圓柱波導(dǎo)真空密封；在圓柱波導(dǎo)的橢圓切面上焊接窗片支撐架；在窗片支撐架上焊接圓形窗片；窗片支撐架包括橢圓底面、圓形凹槽以及通孔；橢圓底面為平板狀，外邊緣與圓柱波導(dǎo)的橢圓切面的形狀一致，窗片支撐架通過橢圓底面焊接在圓柱波導(dǎo)的橢圓切面上；在橢圓底面上設(shè)置圓形凹槽，二者中心重合，圓形凹槽的直徑大于橢圓底面的短軸，圓形窗片焊接在圓形凹槽中；在橢圓底面和圓形凹槽的中心設(shè)置同心且形狀相同的矩形通孔，圓柱波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)碾姶挪ㄍㄟ^矩形通孔進(jìn)入圓形窗片；電磁波入射至圓形窗片，入射波在圓形窗片的入射面發(fā)生反射和折射，第一路徑在入射面發(fā)生反射，第二路徑在入射面發(fā)生折射至透射面，在透射面反射后至入射面再次發(fā)生折射，與第一路徑的反射光重合，圓形窗片的厚度滿足第一路徑在入射面的反射波與第二路徑在入射面再次折射的折射波相互抵消。

圓柱波導(dǎo)、窗片支撐架和圓形窗片共軸。圓柱波導(dǎo)的圓端口采用釬焊或熔焊焊接在法蘭上；釬焊時(shí)被焊物體不熔化，僅釬料熔化，對被焊物體的物理化學(xué)性能影響小，焊接應(yīng)力和變形較小，接頭光滑美觀，同時(shí)圓形波導(dǎo)和法蘭同為金屬材料且不易形變；采用熔焊的方式使焊接更牢固。窗片支撐架的橢圓底面采用釬焊焊接在圓柱波導(dǎo)的橢圓切面上，釬焊造成的形變量小，對窗片支撐架的影響小；而熔焊依靠焊件之間的熔化連接在一起，對焊件的厚度有一定要求，窗片支撐架的厚度較薄，熔融焊容易使窗片支撐架發(fā)生較大的形變，進(jìn)而造成窗片開裂，故不采用。圓形窗片采用釬焊焊接在窗片支撐架上，主要原因是窗片為非金屬材料，支撐架為金屬材料，同時(shí)考慮形變和真空密封的因素，圓形窗片和支撐架之間只能采用釬焊的方式焊接。

圓柱波導(dǎo)的材料為可伐合金，與窗片支撐架的材料相同，具有良好的低溫組織穩(wěn)定性且膨脹系數(shù)小，焊接后發(fā)生的形變小。對于鐵和銅材料，鐵和銅的熱膨脹系數(shù)比可伐合金大，焊接后容易發(fā)生較大形變，造成窗片開裂，故不采用。圓柱波導(dǎo)的半徑取決于傳輸?shù)牟ㄊ陌霃剑瑘A柱波導(dǎo)壁對波束的影響可以忽略不計(jì)時(shí)即可。

窗片支撐架材料為可伐合金，膨脹系數(shù)比較低和窗片能進(jìn)行有效封接匹配，具有較高的居里點(diǎn)以及良好的低溫組織穩(wěn)定性，合金的氧化膜致密，容易焊接；橢圓底面和圓形凹槽中間的通孔為矩形，主要是由于圓形通孔的面積小，不利于波的通過，橢圓形通孔加工難度較大且應(yīng)力分布不均勻，故不考慮，矩形通孔容易加工，面積大且能夠有效的減少應(yīng)力的影響，同時(shí)矩形通孔的長邊在5λ～58λ之間，長邊在5λ～31λ之間，能讓電磁波有效通過且易加工；圓形窗片的材料采用陶瓷，放在窗片支撐架圓形凹槽中。

圓形窗片的材料采用陶瓷或金剛石。陶瓷優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易加工，缺點(diǎn)是純度不高；金剛石的優(yōu)點(diǎn)是純度高，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，加工復(fù)雜。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種超寬帶太赫茲布魯斯特真空窗的制備方法。

本發(fā)明的布魯斯特真空窗的制備方法，包括以下步驟：

1)用退火后的板料加工一體成形的窗片支撐架，窗片支撐架包括橢圓底面、圓形凹槽以及通孔；

2)將窗片支撐架的橢圓底面焊接在圓柱波導(dǎo)的橢圓切面上，然后檢漏，直至滿足密封要求，再進(jìn)行步驟3)；

3)將圓形窗片焊接在窗片支撐架的圓形凹槽中，然后檢漏，直至滿足密封要求，再進(jìn)行步驟4)；

4)將圓柱波導(dǎo)的圓端口焊接在法蘭上，然后檢漏，直至滿足密封要求。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用窗片支撐架，窗片支撐架具有橢圓底面和圓形凹槽，通過橢圓底面焊接圓柱波導(dǎo)的橢圓切面，并通過圓形凹槽焊接圓形窗片，從而將電磁波從圓柱波導(dǎo)傳播至圓形窗片；橢圓形窗片在焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致窗片變形進(jìn)而發(fā)生開裂，本發(fā)明采用圓形窗片，在焊接時(shí)應(yīng)力分布相對均勻，與窗片支撐架焊接時(shí)可以減少應(yīng)力的影響，避免開裂；窗片支撐架采用了矩形通孔，相對于圓形、橢圓形通孔有較大優(yōu)勢，在滿足波的通過條件時(shí)能夠減小應(yīng)力的影響，對于焊接的成功率有較大提高；并且各個(gè)結(jié)構(gòu)連接采用焊接，以滿足密封的真空要求；圓形窗片的厚度滿足第一路徑在入射面的反射波與第二路徑在入射面再次折射的折射波相互抵消，增加透射效率；本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)電磁波在太赫茲波段的超寬帶傳輸，且具有良好的真空密封性能；實(shí)際加工時(shí)，圓形窗片可以采用Al₂O₃陶瓷，具有易加工、價(jià)格便宜的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的布魯斯特真空窗的剖面圖；

圖2為本發(fā)明的布魯斯特真空窗的窗片支撐架的示意圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為仰視圖；

圖3為本發(fā)明的布魯斯特真空窗的圓柱波導(dǎo)的示意圖；

圖4為本發(fā)明的布魯斯特真空窗的圓形窗片的示意圖；

圖5為本發(fā)明的布魯斯特真空窗的法蘭的示意圖；

圖6為電磁波在本發(fā)明的圓形窗片上發(fā)生折射和透射的原理圖；

圖7為本發(fā)明的布魯斯特真空窗的一個(gè)實(shí)施例的電磁波穿過圓柱波導(dǎo)的電場強(qiáng)度分布圖；

圖8為本發(fā)明的布魯斯特真空窗的一個(gè)實(shí)施例在圓端口和橢圓切面的電場強(qiáng)度曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的本發(fā)明的布魯斯特真空窗包括：法蘭1、圓柱波導(dǎo)2、窗片支撐架3、圓形窗片4；其中，圓柱波導(dǎo)的圓端口21焊接在法蘭1上，圓柱波導(dǎo)的另一端具有橢圓切面22，橢圓切面與圓柱波導(dǎo)的圓形面成布儒斯特角；圓柱波導(dǎo)的橢圓切面上焊接窗片支撐架3；在窗片支撐架3上焊接圓形窗片4；如圖2所示，窗片支撐架包括橢圓底面31、圓形凹槽32、通孔33和圓環(huán)形的臺(tái)階34；橢圓底面31為平板狀，外邊緣與圓柱波導(dǎo)的橢圓切面的形狀一致，窗片支撐架通過橢圓底面焊接在圓柱波導(dǎo)的橢圓切面上；在橢圓底面上設(shè)置圓形凹槽32，二者中心重合，圓形凹槽的直徑大于橢圓底面的短軸，圓形窗片焊接在圓形凹槽中；在橢圓底面和圓形凹槽的中心設(shè)置同心且形狀相同的矩形的通孔33，圓柱波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)碾姶挪ㄍㄟ^通孔進(jìn)入圓形窗片。

在本實(shí)施例中，工作頻率為330GHz；波長0.91mm；法蘭的內(nèi)徑為19mm；圓柱波導(dǎo)的內(nèi)徑為17.5mm，外徑為20mm，長度為122.15mm；圓形窗片的材料為Al₂O₃陶瓷，相對介電常數(shù)ε_r為9.8，由下面公式可以計(jì)算布魯斯特角：

${\mathrm{tan\θ}}_1={\mathrm{tan\θ}}_B=n_2/n_1=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}\→{\mathrm{\θ}}_B={72.285}^0,$

n₁表示空氣中折射率，n₂表示介質(zhì)折射率，θ₁表示空氣中入射角，θ_B表示布魯斯特角；將圓柱波導(dǎo)的另一端切成如圖3所示的橢圓切面22，然后圓端口21與法蘭1配合連接；

圖2中窗片支撐架橢圓底面31的長軸為111.71mm，短軸為40mm，厚度為2mm，圓形凹槽32的槽底面厚度為1mm，圓環(huán)形的臺(tái)階34高度為0.5mm，臺(tái)階處圓形凹槽的內(nèi)直徑為59mm，臺(tái)階上圓形凹槽內(nèi)直徑為60mm，矩形的通孔33的中心與橢圓底面的中心重合，長為51.93mm，寬為28mm，倒角半徑為5mm；圖3中橢圓切面22的角度為72.285°，圓端口21的內(nèi)直徑36mm，外直徑38mm；圖4為圓形窗片的示意圖，圓形窗片的材料為95％氧化鋁，厚度為1.83mm，直徑為59mm。圖5為常規(guī)法蘭的示意圖。

當(dāng)電磁波垂直法蘭入射至圓柱波導(dǎo)時(shí)，在圓形窗片的上表面和下表面發(fā)生折射和透射。上表面為入射面，下表面為透射面，如圖6所示，θ₁表示空氣中入射角，θ₂表示折射角，入射波在入射面發(fā)生反射和折射，第一路徑在入射面發(fā)生反射，第二路徑在入射面折射后，在透射面反射后在入射面進(jìn)一步折射，與第一路徑的反射光重合；第一路徑的反射波和第二路徑的兩次折射后的折射波在合適的條件下相互抵消；從而使電磁波經(jīng)過圓形窗片后只有平行極化的透射波，厚度d滿足：

$d=\frac{(k+\frac{1}{2})\mathrm{\λ}}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_B}}$

其中，k為任意正整數(shù)，λ為波長，ε_r為圓形窗片的相對介電常數(shù)，θ_B為布魯斯特角。

本實(shí)施例的布魯斯特真空窗的制備方法，包括以下步驟：

1)用退火后的板料可伐合金加工一體成形的窗片支撐架，窗片支撐架包括橢圓底面、圓形凹槽以及通孔，如圖2所示；

2)采用氬弧焊將窗片支撐架的橢圓底面焊接在圓柱波導(dǎo)的橢圓切面上，然后檢漏，直至滿足密封要求，再進(jìn)行步驟3)；

3)采用釬焊將圓形窗片焊接在窗片支撐架的圓形凹槽中，然后檢漏，直至滿足密封要求，再進(jìn)行步驟4)；

4)采用氬弧焊將圓柱波導(dǎo)的圓端口焊接在法蘭上，然后檢漏，直至滿足密封要求。

從圖7的仿真圖可以看出，入射波束在圓形窗片處發(fā)生偏折，基本全部透射過去。從圖8可以看出，圓端口的截面中心線上的E²分布和橢圓切面的截面中心線上的E²分布在誤差范圍內(nèi)滿足布魯斯特真空窗的特性。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。