CN109254352B - 一种快光太赫兹波导 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种快光太赫兹波导。该快光太赫兹波导为空芯太赫兹波导，即太赫兹波以空气作为传输介质，横截面结构由圆形环外套管及与其内接的单个或多个椭圆形环状管构成，当椭圆形环状管数量为多个时，其长轴按圆形环外套管圆心旋转对称交叉排布，制作材料为太赫兹波段内的低损耗聚合物，在0.2‑2THz频率范围内的太赫兹波信号，经过波导进行传输后，与系统空置时，即去除波导在空气中传输的情况下相比，传输速度更快，脉冲信号提前到达探测器，即实现了快光现象。本发明大大降低了实现快光现象系统的复杂程度及实验成本，可有力地推动快光效应的实际应用。

Description

一种快光太赫兹波导
技术领域：
本发明涉及一种实现快光现象的波导，属于光速控制以及太赫兹波导的技术领域。主要涉及的是一种利用波导实现快光现象的空芯太赫兹波导。
背景技术
光速控制的研究不仅具有重要的科学意义，而且也具有极大的应用价值。在科研方面，通过光速控制研究，可以加深人们对光与物质相互作用本质的理解，逐步发现其中蕴含的物理规律。在实际应用方面，光速控制广泛应用于光信号处理、光量子控制、光学隐身及光纤通信等诸多领域。
兰州理工大学侯尚林等人在2016年3月发表在发光学报第37卷第3期 358-365页名为“光子晶体光纤中基于受激布里渊散射实现快光的数值模拟研究”的文章中公开了基于三种商用光子晶体光纤实现的快光现象，但文中所提及的商用光子晶体光纤均为实芯，即传输介质为纯硅材料，该快光现象实质上是基于纤芯材料的受激布里渊散射所产生的。在空芯波导中，空气作为传输介质，空气的材料非线性系数极小，受激布里渊散射很弱可忽略。且侯尚林文中所报道的快光现象产生在近红外波段，而非太赫兹波段。
近年来，人们对太赫兹波导的探究取得了长足进步。其中，因干燥空气对太赫兹波几乎不产生吸收损耗，以干燥空气作为传输介质的空芯太赫兹波导成为研究的热点，各种不同结构的空芯太赫兹波导应运而生。相应的，各式各样的新型太赫兹波导传输特性也被人们所表征和发现。设计特殊结构的空芯太赫兹波导，从而获得某种特定的传输特性，例如实现对光速的调节，已成为很热门的研究方向。
发明内容
针对在波导中光速的调控，本发明提出一种新型空芯太赫兹波导，利用特殊结构空芯波导的传输特性，实现太赫兹波快光现象。与利用芯区材料的非线性效应产生快光现象的实芯波导相比，该波导结构简单易于制作，能在太赫兹波段运转，且对传输波强度要求低。仅需要使太赫兹波信号在特定结构的空芯波导内传输，就可以获得稳定的快光效应。该波导的实现，将为光延迟、光缓存和光开关等光信号处理、光量子控制、光学隐身及光纤通信领域的技术进一步提高，提供坚实的理论和物质基础。
本发明所提出的快光太赫兹波导，是通过以下技术方案实现的：快光太赫兹波导为空芯太赫兹波导，太赫兹波段频率范围在0.2-2.0THz，空芯太赫兹波导制作材料为聚四氟乙烯(PTFE)或环烯烃共聚物(COC)或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)或树脂材料等该太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物，空芯太赫兹波导的横截面结构由圆形环外套管及与其内接的椭圆形环状管构成，椭圆形环状管为单个椭圆形环状管，或两个椭圆形环状管，圆形环外套管壁厚在0.1-1.2mm范围、外径在10-28mm范围，椭圆形环状管壁厚在0.1-1.2mm 范围、椭圆长短轴之比在1.2-5.0范围，椭圆形环状管的长轴按圆形环外套管圆心旋转对称交叉排布。
本发明具有以下显著的有益效果：
1.能使所传输太赫兹波脉冲较之在开放空间空气中传输的更快，即能实现快光现象。
2.对所传输太赫兹波强度无要求，快光现象易于实现。与依靠波导或光纤中非线性效应产生的快光现象不同，该波导的快光现象是基于波导的特殊结构而产生的。实验系统不需要连接多个放大器以进行泵浦提高传输波强度，实验系统的体积和复杂度都得到大大简化。
3.波导结构简单、易于制作、造价低廉。例如，可利用3D打印等技术直接制备，适用于大规模生产。
附图说明
图1.1为本发明所采用的单椭圆环波导立体结构图。
图1.2为本发明所采用的单椭圆环波导横截面结构图。
图1.3为单椭圆环波导的太赫兹波脉冲传输实验测试结果。
图2 .1为本发明所采用的双椭圆环波导立体结构图。
图2 .2为本发明所采用的双椭圆环波导横截面结构图。
图2 .3为双椭圆环波导的太赫兹波脉冲传输实验测试结果。
附图标号
1.1为波导圆形环外套管，1.2为波导单椭圆环，1.3为波导空气芯，
1.4为波导包层空气孔。
2.1为波导圆形环外套管，2.2为波导双椭圆环，2.3为波导空气芯，
2.4为波导包层空气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例一
本发明所采用的单椭圆环波导及其太赫兹波脉冲传输实验测试结果。
首先是按照图1.1所示的设计结构进行单椭圆环波导制备。单椭圆环波导横截面结构如图1.2所示，包括波导圆形环外套管1.1、波导单椭圆环1.2，形成波导空气芯1.3和波导包层空气孔1.4。波导总体长度为15cm，波导圆形环外套管1.1和波导单椭圆环1.2以高精度树脂材料制作，波导圆形环外套管1.1及波导单椭圆环1.2的壁厚均为1.0mm,波导圆形环外套管1.1外直径为2.0cm,波导单椭圆环1.2中椭圆环长轴为18.0mm、短轴为9.0mm。
在进行太赫兹波脉冲传输实验测试中，先将制备好的单椭圆环波导按照与频率范围在0.2-2.0THz的标准太赫兹时域光谱系统中的太赫兹波束平行放置，再精确调整单椭圆环波导的空间方位，将太赫兹波脉冲耦合到波导内，使其在单椭圆环波导中央的空气芯中沿单椭圆环波导轴向传输。
实验结果如图1.3所示，实线曲线为标准太赫兹时域光谱系统太赫兹波束传输路径上空置时作为参考信号的太赫兹波脉冲，虚线曲线为标准太赫兹时域光谱系统太赫兹波束传输路径上放置单椭圆环波导时测得的太赫兹波脉冲。两者相比，经过波导传输的太赫兹波脉冲会提前0.1皮秒到达探测器，即波导中的太赫兹波传输速度比在空气中的快，显现出快光现象。
实施例二
本发明所采用的双椭圆环波导及其太赫兹波脉冲传输实验测试结果。
首先是按照图2.1所示的设计结构进行双椭圆环波导制备。双椭圆环波导横截面结构如图2.2所示，包括波导圆形环外套管2.1、波导双椭圆环2.2，形成波导空气芯2.3和波导包层空气孔2.4。波导总体长度为15cm，波导圆形环外套管2.1和波导双椭圆环2.2以高精度树脂材料制作，波导圆形环外套管2.1及波导双椭圆环2.2的壁厚均为1.0mm,波导圆形环外套管2.1外直径为2cm,波导双椭圆环2.2中椭圆环长轴均为18.0mm、短轴均为9.0mm。两个椭圆形环状管的长轴按圆形环外套管圆心旋转正交交叉排布。
在进行太赫兹波脉冲传输实验测试中，先将制备好的双椭圆环波导按照与频率范围在0.2-2.0THz的标准太赫兹时域光谱系统中的太赫兹波束平行放置，再精确调整双椭圆环波导的空间方位，将太赫兹波脉冲耦合到波导内，使其在双椭圆环波导中央的空气芯中沿单椭圆环波导轴向传输。
实验结果如图2.3所示，实线曲线为标准太赫兹时域光谱系统太赫兹波束传输路径上空置时作为参考信号的太赫兹波脉冲，虚线曲线为标准太赫兹时域光谱系统太赫兹波束传输路径上放置双椭圆环波导时测得的太赫兹波脉冲。两者相比，经过波导传输的太赫兹波脉冲会提前0.14皮秒到达探测器，即波导中的太赫兹波传输速度比在空气中的快，显现出快光现象。

Claims (5)

1.一种快光太赫兹波导,其特征在于：
快光太赫兹波导为空芯太赫兹波导，太赫兹波段频率范围在0.2-2.0THz，空芯太赫兹波导制作材料为该太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物，空芯太赫兹波导的横截面结构由圆形环外套管及与其内接的单个或多个椭圆形环状管构成，圆形环外套管壁厚在0.1-1.2mm范围、外径在10-28mm范围，椭圆形环状管壁厚在0.1-1.2mm范围、椭圆形环状管长短轴之比在1.2-5.0范围。
2.按权利要求1所述的一种快光太赫兹波导,其特征在于：
该太赫兹波段频率范围内的低损耗聚合物，为聚四氟乙烯(PTFE)，或环烯烃共聚物(COC)，或聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，或高纯树脂材料。
3.按权利要求1所述的一种快光太赫兹波导,其特征在于：
椭圆形环状管为多个椭圆形环状管时，多个椭圆形环状管的长轴按圆形环外套管圆心旋转对称交叉排布。
4.按权利要求1所述的一种快光太赫兹波导,其特征在于：
空芯太赫兹波导的横截面结构由圆形环外套管及与其内接的单个椭圆形环状管构成，圆形环外套管壁厚为1.0mm、外径为20mm，椭圆形环状管壁厚为1.0mm、椭圆长短轴之比为2.0。
5.按权利要求1所述的一种快光太赫兹波导,其特征在于：
空芯太赫兹波导的横截面结构由圆形环外套管及与其内接的两个椭圆形环状管构成，圆形环外套管壁厚为1.0mm、外径为20mm，椭圆形环状管壁厚为1.0mm、椭圆长短轴之比为2.0，两个椭圆形环状管的长轴按圆形环外套管圆心旋转正交交叉排布。
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