CN106154396B - 一种超宽带太赫兹布鲁斯特真空窗及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带太赫兹布鲁斯特真空窗及其制备方法。本发明采用窗片支撑架，窗片支撑架具有椭圆底面和圆形凹槽，通过椭圆底面焊接圆柱波导的椭圆切面，并通过圆形凹槽焊接圆形窗片，从而将电磁波从圆柱波导传播至圆形窗片；圆形窗片在焊接时应力分布相对均匀，与窗片支撑架焊接时可以减少应力的影响，避免开裂；窗片支撑架具有矩形通孔，在满足波的通过条件时能够减小应力的影响，对于焊接的成功率有较大提高；并且各个结构连接采用焊接，以满足密封的真空要求；圆形窗片的厚度满足反射波与再次折射波相互抵消，增加透射效率；本发明可实现电磁波在太赫兹波段的超宽带传输，且具有良好的真空密封性能；具有易加工、价格便宜的优势。

Description

一种超宽带太赫兹布鲁斯特真空窗及其制备方法

技术领域

本发明涉及宽带真空输出窗领域，具体涉及一种超宽带太赫兹布鲁斯特真空窗及其制备方法。

背景技术

自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角。反射光与反射光路径在同一平面上(称为入射平面)，而平行于此平面的偏振光为P偏振光(TM模)，垂直于此平面的偏振光，为S偏振光(TE模)。当同时有P偏振光和S偏振光以布鲁斯特角入射时，P偏振光全部透射。

太赫兹波是振荡频率位于0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)的电磁波。近年来，全世界各国研究学者对太赫兹技术给予了极大关注，使得太赫兹波的产生、探测及应用技术等都取得了很大进步，形成了一个新兴交叉学科领域——太赫兹科学技术。太赫兹技术在通信、生物医疗、雷达成像、无损检测等方面具有重要作用。由于太赫兹可以提供高达10Gb/s以上的无线传输速率，太赫兹通信成为太赫兹技术应用的重要领域之一。太赫兹波通信系统离不开各种太赫兹波功能器件的性能保障。虽然国内外对于太赫兹波功能器件的研究已经逐渐展开，但是太赫兹波功能器件作为太赫兹波科学技术应用中的重点和难点，相比太赫兹波产生和检测装置及太赫兹波传输波导的快速发展，仍然需要投入大量的人力和物力进行深入的探索和研究。

布鲁斯特窗在太赫兹中应用广泛。随着太赫兹技术的发展，大功率的太赫兹源的地位越来越重要，而利用真空电子学方法产生的太赫兹辐射源是重要的一类。宽带真空波源需要宽带输出系统，但是没有满足宽带输出的窗片，而布鲁斯特窗恰好符合宽带输出的要求，能使电磁波完全透射，对工作频率不敏感，几乎没有带宽限制。目前国内外很多科研机构都致力于这方面的研究，并取得了一定的进展，但是至今还未有报道实现布鲁斯入射角的超高真空封接窗的报道。现有的太赫兹波段布鲁斯特窗往往结构复杂，价格昂贵，而且由于设计和工艺的原因，布鲁斯特入射要求介质窗片与入射波具有一定的夹角，使得圆波导的斜切口呈现出椭圆的切口面。超高真空密封要求封接陶瓷为圆对称结构，以此减少加工难度和保证焊接过程中应力的对称分布。如何将圆形窗片封接到椭圆形的切口上同时满足太赫兹波布鲁斯角传输要求和超高真空焊接的需求是布鲁斯窗急需解决的设计和工艺难题。小型化、低成本的太赫兹波器件是太赫兹波技术应用的关键，因此有必要设计一种结构简单，成本低的超高真空太赫兹布鲁斯特窗以满足未来太赫兹波技术应用需要。

现有阶段布鲁斯特窗结构一般包括：具有椭圆切面的圆柱波导、窗片固定器、窗片；其中，椭圆切面的圆柱波导、窗片固定器、窗片三者依次连接。现有的这种布鲁斯特窗结构虽然可以满足一般的光学要求，但是无法实现太赫兹波段的真空密封。

发明内容

为了克服现有技术结构复杂，实际制作困难，成本高的不足，特别是解决太赫兹波段的超宽带的真空密封的需求，以及在设计加工过程中结构的应力问题，本发明提供一种相对简单结构的超宽带太赫兹布鲁斯特真空窗及其制备方法。

本发明的一个目的在于提出一种超宽带太赫兹布鲁斯特真空窗。

本发明的布鲁斯特真空窗包括：法兰、圆柱波导、窗片支撑架、圆形窗片；其中，圆柱波导的一端为圆端口，另一端以布鲁斯特角切割，形成椭圆切面；圆柱波导的圆端口焊接在法兰上，法兰与圆柱波导真空密封；在圆柱波导的椭圆切面上焊接窗片支撑架；在窗片支撑架上焊接圆形窗片；窗片支撑架包括椭圆底面、圆形凹槽以及通孔；椭圆底面为平板状，外边缘与圆柱波导的椭圆切面的形状一致，窗片支撑架通过椭圆底面焊接在圆柱波导的椭圆切面上；在椭圆底面上设置圆形凹槽，二者中心重合，圆形凹槽的直径大于椭圆底面的短轴，圆形窗片焊接在圆形凹槽中；在椭圆底面和圆形凹槽的中心设置同心且形状相同的矩形通孔，圆柱波导内传输的电磁波通过矩形通孔进入圆形窗片；电磁波入射至圆形窗片，入射波在圆形窗片的入射面发生反射和折射，第一路径在入射面发生反射，第二路径在入射面发生折射至透射面，在透射面反射后至入射面再次发生折射，与第一路径的反射光重合，圆形窗片的厚度满足第一路径在入射面的反射波与第二路径在入射面再次折射的折射波相互抵消。

圆柱波导、窗片支撑架和圆形窗片共轴。圆柱波导的圆端口采用钎焊或熔焊焊接在法兰上；钎焊时被焊物体不熔化，仅钎料熔化，对被焊物体的物理化学性能影响小，焊接应力和变形较小，接头光滑美观，同时圆形波导和法兰同为金属材料且不易形变；采用熔焊的方式使焊接更牢固。窗片支撑架的椭圆底面采用钎焊焊接在圆柱波导的椭圆切面上，钎焊造成的形变量小，对窗片支撑架的影响小；而熔焊依靠焊件之间的熔化连接在一起，对焊件的厚度有一定要求，窗片支撑架的厚度较薄，熔融焊容易使窗片支撑架发生较大的形变，进而造成窗片开裂，故不采用。圆形窗片采用钎焊焊接在窗片支撑架上，主要原因是窗片为非金属材料，支撑架为金属材料，同时考虑形变和真空密封的因素，圆形窗片和支撑架之间只能采用钎焊的方式焊接。

圆柱波导的材料为可伐合金，与窗片支撑架的材料相同，具有良好的低温组织稳定性且膨胀系数小，焊接后发生的形变小。对于铁和铜材料，铁和铜的热膨胀系数比可伐合金大，焊接后容易发生较大形变，造成窗片开裂，故不采用。圆柱波导的半径取决于传输的波束的半径，圆柱波导壁对波束的影响可以忽略不计时即可。

窗片支撑架材料为可伐合金，膨胀系数比较低和窗片能进行有效封接匹配，具有较高的居里点以及良好的低温组织稳定性，合金的氧化膜致密，容易焊接；椭圆底面和圆形凹槽中间的通孔为矩形，主要是由于圆形通孔的面积小，不利于波的通过，椭圆形通孔加工难度较大且应力分布不均匀，故不考虑，矩形通孔容易加工，面积大且能够有效的减少应力的影响，同时矩形通孔的长边在5λ～58λ之间，长边在5λ～31λ之间，能让电磁波有效通过且易加工；圆形窗片的材料采用陶瓷，放在窗片支撑架圆形凹槽中。

圆形窗片的材料采用陶瓷或金刚石。陶瓷优点是价格便宜，易加工，缺点是纯度不高；金刚石的优点是纯度高，缺点是价格昂贵，加工复杂。

本发明的另一个目的在于提供一种超宽带太赫兹布鲁斯特真空窗的制备方法。

本发明的布鲁斯特真空窗的制备方法，包括以下步骤：

1)用退火后的板料加工一体成形的窗片支撑架，窗片支撑架包括椭圆底面、圆形凹槽以及通孔；

2)将窗片支撑架的椭圆底面焊接在圆柱波导的椭圆切面上，然后检漏，直至满足密封要求，再进行步骤3)；

3)将圆形窗片焊接在窗片支撑架的圆形凹槽中，然后检漏，直至满足密封要求，再进行步骤4)；

4)将圆柱波导的圆端口焊接在法兰上，然后检漏，直至满足密封要求。

本发明的优点：

本发明采用窗片支撑架，窗片支撑架具有椭圆底面和圆形凹槽，通过椭圆底面焊接圆柱波导的椭圆切面，并通过圆形凹槽焊接圆形窗片，从而将电磁波从圆柱波导传播至圆形窗片；椭圆形窗片在焊接时会出现应力分布不均匀现象，导致窗片变形进而发生开裂，本发明采用圆形窗片，在焊接时应力分布相对均匀，与窗片支撑架焊接时可以减少应力的影响，避免开裂；窗片支撑架采用了矩形通孔，相对于圆形、椭圆形通孔有较大优势，在满足波的通过条件时能够减小应力的影响，对于焊接的成功率有较大提高；并且各个结构连接采用焊接，以满足密封的真空要求；圆形窗片的厚度满足第一路径在入射面的反射波与第二路径在入射面再次折射的折射波相互抵消，增加透射效率；本发明可实现电磁波在太赫兹波段的超宽带传输，且具有良好的真空密封性能；实际加工时，圆形窗片可以采用Al₂O₃陶瓷，具有易加工、价格便宜的优势。

附图说明

图1为本发明的布鲁斯特真空窗的剖面图；

图2为本发明的布鲁斯特真空窗的窗片支撑架的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为仰视图；

图3为本发明的布鲁斯特真空窗的圆柱波导的示意图；

图4为本发明的布鲁斯特真空窗的圆形窗片的示意图；

图5为本发明的布鲁斯特真空窗的法兰的示意图；

图6为电磁波在本发明的圆形窗片上发生折射和透射的原理图；

图7为本发明的布鲁斯特真空窗的一个实施例的电磁波穿过圆柱波导的电场强度分布图；

图8为本发明的布鲁斯特真空窗的一个实施例在圆端口和椭圆切面的电场强度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的本发明的布鲁斯特真空窗包括：法兰1、圆柱波导2、窗片支撑架3、圆形窗片4；其中，圆柱波导的圆端口21焊接在法兰1上，圆柱波导的另一端具有椭圆切面22，椭圆切面与圆柱波导的圆形面成布儒斯特角；圆柱波导的椭圆切面上焊接窗片支撑架3；在窗片支撑架3上焊接圆形窗片4；如图2所示，窗片支撑架包括椭圆底面31、圆形凹槽32、通孔33和圆环形的台阶34；椭圆底面31为平板状，外边缘与圆柱波导的椭圆切面的形状一致，窗片支撑架通过椭圆底面焊接在圆柱波导的椭圆切面上；在椭圆底面上设置圆形凹槽32，二者中心重合，圆形凹槽的直径大于椭圆底面的短轴，圆形窗片焊接在圆形凹槽中；在椭圆底面和圆形凹槽的中心设置同心且形状相同的矩形的通孔33，圆柱波导内传输的电磁波通过通孔进入圆形窗片。

在本实施例中，工作频率为330GHz；波长0.91mm；法兰的内径为19mm；圆柱波导的内径为17.5mm，外径为20mm，长度为122.15mm；圆形窗片的材料为Al₂O₃陶瓷，相对介电常数ε_r为9.8，由下面公式可以计算布鲁斯特角：

n₁表示空气中折射率，n₂表示介质折射率，θ₁表示空气中入射角，θ_B表示布鲁斯特角；将圆柱波导的另一端切成如图3所示的椭圆切面22，然后圆端口21与法兰1配合连接；

图2中窗片支撑架椭圆底面31的长轴为111.71mm，短轴为40mm，厚度为2mm，圆形凹槽32的槽底面厚度为1mm，圆环形的台阶34高度为0.5mm，台阶处圆形凹槽的内直径为59mm，台阶上圆形凹槽内直径为60mm，矩形的通孔33的中心与椭圆底面的中心重合，长为51.93mm，宽为28mm，倒角半径为5mm；图3中椭圆切面22的角度为72.285°，圆端口21的内直径36mm，外直径38mm；图4为圆形窗片的示意图，圆形窗片的材料为95％氧化铝，厚度为1.83mm，直径为59mm。图5为常规法兰的示意图。

当电磁波垂直法兰入射至圆柱波导时，在圆形窗片的上表面和下表面发生折射和透射。上表面为入射面，下表面为透射面，如图6所示，θ₁表示空气中入射角，θ₂表示折射角，入射波在入射面发生反射和折射，第一路径在入射面发生反射，第二路径在入射面折射后，在透射面反射后在入射面进一步折射，与第一路径的反射光重合；第一路径的反射波和第二路径的两次折射后的折射波在合适的条件下相互抵消；从而使电磁波经过圆形窗片后只有平行极化的透射波，厚度d满足：

其中，k为任意正整数，λ为波长，ε_r为圆形窗片的相对介电常数，θ_B为布鲁斯特角。

本实施例的布鲁斯特真空窗的制备方法，包括以下步骤：

1)用退火后的板料可伐合金加工一体成形的窗片支撑架，窗片支撑架包括椭圆底面、圆形凹槽以及通孔，如图2所示；

2)采用氩弧焊将窗片支撑架的椭圆底面焊接在圆柱波导的椭圆切面上，然后检漏，直至满足密封要求，再进行步骤3)；

3)采用钎焊将圆形窗片焊接在窗片支撑架的圆形凹槽中，然后检漏，直至满足密封要求，再进行步骤4)；

4)采用氩弧焊将圆柱波导的圆端口焊接在法兰上，然后检漏，直至满足密封要求。

从图7的仿真图可以看出，入射波束在圆形窗片处发生偏折，基本全部透射过去。从图8可以看出，圆端口的截面中心线上的E²分布和椭圆切面的截面中心线上的E²分布在误差范围内满足布鲁斯特真空窗的特性。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种布鲁斯特真空窗，其特征在于，所述布鲁斯特真空窗包括：法兰、圆柱波导、窗片支撑架、圆形窗片；其中，所述圆柱波导的一端为圆端口，另一端以布鲁斯特角切割，形成椭圆切面；所述圆柱波导的圆端口焊接在法兰上，法兰与圆柱波导真空密封；在圆柱波导的椭圆切面上焊接窗片支撑架；在窗片支撑架上焊接圆形窗片；所述窗片支撑架包括椭圆底面、圆形凹槽以及通孔；所述椭圆底面为平板状，外边缘与圆柱波导的椭圆切面的形状一致，窗片支撑架通过椭圆底面焊接在圆柱波导的椭圆切面上；在椭圆底面上设置圆形凹槽，二者中心重合，圆形凹槽的直径大于椭圆底面的短轴，圆形窗片焊接在圆形凹槽中；在椭圆底面和圆形凹槽的中心设置同心且形状相同的矩形通孔，圆柱波导内传输的电磁波通过矩形通孔进入圆形窗片；电磁波入射至圆形窗片，入射波在圆形窗片的入射面发生反射和折射，第一路径在入射面发生反射，第二路径在入射面发生折射至透射面，在透射面反射后至入射面再次发生折射，与第一路径的反射光重合，圆形窗片的厚度满足第一路径在入射面的反射波与第二路径在入射面再次折射的折射波相互抵消。

2.如权利要求1所述的布鲁斯特真空窗，其特征在于，所述窗片支撑架和圆形窗片共轴。

3.如权利要求1所述的布鲁斯特真空窗，其特征在于，所述圆柱波导的材料与窗片支撑架的材料相同，为可伐合金。

4.如权利要求1所述的布鲁斯特真空窗，其特征在于，所述矩形通孔的长边在5λ～58λ之间，短边在5λ～31λ之间。

5.如权利要求1所述的布鲁斯特真空窗，其特征在于，所述圆形窗片的厚度d满足：

其中，k为任意正整数，λ为波长，ε_r为圆形窗片的相对介电常数，θ_B为布鲁斯特角。

6.一种如权利要求1所述的布鲁斯特真空窗的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)用退火后的板料加工一体成形的窗片支撑架，窗片支撑架包括椭圆底面、圆形凹槽以及通孔；

2)将窗片支撑架的椭圆底面焊接在圆柱波导的椭圆切面上，然后检漏，直至满足密封要求，再进行步骤3)；

3)将圆形窗片焊接在窗片支撑架的圆形凹槽中，然后检漏，直至满足密封要求，再进行步骤4)；

4)将圆柱波导的圆端口焊接在法兰上，然后检漏，直至满足密封要求。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，采用钎焊将窗片支撑架的椭圆底面焊接在圆柱波导的椭圆切面上。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，采用钎焊将圆形窗片焊接在窗片支撑架上。

9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，采用钎焊或熔焊将圆柱波导的圆端口焊接在法兰上。

10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，圆形窗片的厚度d满足：

其中，k为任意正整数，λ为波长，ε_r为圆形窗片的相对介电常数，θ_B为布鲁斯特角。