太赫兹脉冲产生与整形有限差分时域模拟

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:tian1_sheng2_wo3_cai
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太赫兹(THz)波处于一个很特殊的频段内,它介于微波段与红外波段之间,难以直接用现在已经很成熟的微波或者光学技术来产生和控制。太赫兹波具有光子能量低、分辨率高、透射能力强等优点,广泛应用于探测、成像、通信、光谱分析等方面,已经成为目前国际上电磁辐射研究的热点。在太赫兹辐射的某些应用中(如时域远红外光谱、太赫兹成像、毫米波及亚毫米波通信等),往往需要特定形状和频谱成分的太赫兹脉冲,这就要求对通常产生的太赫兹脉冲进行时空整形。本文利用有限差分时域算法(FDTD)对光电导天线法产生太赫兹脉冲和有限厚度金属狭缝的太赫兹脉冲时空整形过程进行了数值模拟和理论分析,为优化光电导天线结构设计,提高太赫兹辐射场功率,获得特定形状的太赫兹脉冲提供了理论依据和计算方法。  建立了光电导天线产生太赫兹脉冲的理论模型,运用时域有限差分方法模拟了光电导天线产生的太赫兹脉冲场的二维、三维空间分布,并分析了太赫兹辐射场在自由空间和天线内部的变化。模拟结果表明:在光导天线内部的GaAs衬底材料对太赫兹辐射场有很强烈的限制作用,尤其是对太赫兹波的高频部分;在光导天线内外太赫兹场空间分布呈现出不均衡的特点。太赫兹辐射场能量主要集中在光导天线空隙中心附近,其电场值远远大于其它区域。  采用三维时域有限差分法模拟了高斯型太赫兹脉冲通过有限厚度矩形孔径和圆形孔径的整形特性。分别分析了矩形孔径的厚度、宽度、孔径的位置,以及圆形孔径的半径和厚度等参数对THz脉冲整形作用的影响。模拟结果表明:矩形孔径和圆形孔径对太赫兹脉冲均可实现了有效的整形和滤波。当入射波偏振方向垂直矩形孔径长边方向时,矩形孔径对太赫兹脉冲有较好的整形和滤波作用;而当入射波偏振方向平行矩形孔径长边方向时,金属孔径对其几乎没有明显的整形作用;随着狭缝宽度增大,狭缝整形作用变弱。圆孔衍射对太赫兹脉冲的整形作用比矩形孔径显著。经过整形之后的太赫兹脉冲可以应用于太赫兹光谱和太赫兹成像。  
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