摘 要

ABSTRACT 2

第一章 绪论 3

1.1 简述偏振旋转器件的原理及其研究概况 3

1.2 本论文的研究内容 5

第二章 CST与Origin软件的模型设计与使用 6

第三章 光透过三层矩形孔阵列结构的90度的偏振旋转器件的透射谱及结构示意图 10

第四章 电场、磁场及电流密度 19

第五章 实验过程 12

第六章 结论 29

参 考 文 献 36

摘 要

随着太赫兹辐射源和探测技术的逐渐成熟,作为太赫兹应用系统中必不可少的部分,偏振转换器等的研究已成为目前的热点。利用各种物理效应，可以控制线偏振光，从而控制它的振动的方向。近期，有新的研究显示，旋转角度的限制已经可以得到突破了，将金属构造的偏振片摆成正交，这样不仅可以使光的偏振的方向旋转90度还可以形成有效的透射。

本次着重研究的是范围在太赫兹波段的偏振旋转器件。希望通过这次的研究能够得到高透射系数、宽带的偏振旋转器件。

关键词：太赫兹波；旋转90度；旋转器件

Experimental Research on Polarization Rotating Devices in Microwave Section

ABSTRACT

With the maturation of terahertz radiation source and detection technology, research on polarization converters has become a hot spot as an integral part of terahertz application systems. With various physical effects, one can control the direction of vibration of linearly polarized light. Studies have shown that surface plasmon polarizers can break the rotation limit of 90 degrees in the polarization direction recently: two orthogonal metal polarizers not only can produce effective transmission but also can rotate the polarization direction of light by 90 degrees.

This project mainly studies polar rotation devices applicable to the terahertz band. It is hoped that high transmittance, broadband polarization rotation devices can be obtained through this study.

Key Words: Terahertz wave; Rotate 90 degrees; Rotary devic

第一章 绪论

1.1偏振旋转器件研究现状

太赫兹(Terahertz)波是一种电磁波，它的频率范围为0.1—10 THz[1]。其技术应用方面表现的尤为突出的就是有关探测方面和辐射源方面的技术[2-5] 。此外，太赫兹（Terahertz）技术的应用还在信息传输、图像成形、安检等中发挥起了越来越多的作用[6-11]。在太赫兹（Terahertz）应用的过程中，需要各种各样的功能部件，其核心部件包括滤波器[12]、偏振器[13]、分束器[14]、偏振转换器[15]，这些部件改进对太赫兹（Terahertz）技术的应用发展有着重要的意义，所以时下很多人都争相研究这些部件，争取做到一些改进。

过去的太赫兹光学器件（金属栅偏振器[16]、石英波片[17]）存在着一些比较明显的缺点，它们往往体积偏大、插入的损耗较高且难以集成。自然材料虽说容易获得，但是很多方面在应用中不能发挥较好的作用，所以人们对人工电磁微结构材料进行了重点的研究(包括光子晶体[18]、超材料[19]、表面等离子体[20] 等) ，主要是研究它们的结构，可以改变其结构从而使其具备普通自然材料所不具备的性质[21]，通过对此的了解，也给我们的设计提供了比较新颖的思考方向。太赫兹波能与超表面器件产生良好的电磁响应,利用这个特性，只要结构设计的合理，就能够实现对太赫兹波的有效调控，其中包括振幅、偏振态以及传播的方向[22-27]。以金属线为周期单元的透射与反射式两种线偏振转换器由Grady 等人[28] 提出, 它可以通过对金属线的各项参数改变从而使光束的折射变得异常，而且它的振幅透射比可以达到80% 以上;以同心金属开口环和圆盘为谐振单元的周期性结构由Cheng 等人[29] 提出,当入射光线的偏振方向与开口环开口方向夹角为45°时, 反射光可在0.65—1.45 THz 频段实现线偏振态的旋转, 旋转角度为90◦。可是此种偏正转换器也存在这一些缺点，首先它的器件损耗比较大，其次，它的转换效率不够稳定，存在着些许波动。由三层金属栅组成的超表表面偏振旋转器由Cong 等[30] 提出, 通过太赫兹波在超表面和间隔层间法布里珀罗腔中的共振来实现透射波偏振态的转变。功能器件的损耗难题一直是技术突破的关键，要想太赫兹功能器件性能到达一个新的高度，就必须解决损耗问题。

基于偏振干涉原理的滤光片(PIF)来实现可见光范围内不受波长限制的90°偏振状态旋转，在范围为全波带内的输出透过率是100％。它是传统偏振干涉滤光片(如LyotE[31]和SoleE[32]滤波器)的巨大改进。利用输出反向传递法[33]或是遗传算法[34]，可以设计出各种各样的波形，以此来适应需求。在已有的该偏振旋转器的评价[35]显示，它的角度特性非常的好，在各种角度都能都能够保持非常平坦的输出分布。因为这种角度特性，所以可以将它应用于LCD投影仪或者LCOS投影仪中的偏正转换器，这样的好处是可以显著提高光能的利用效率以及对比度[36]。

基于以上的研究成果，微波段偏振旋转器件非常的令人感兴趣。所以，我们希望研究三层矩形孔阵列结构的90度的偏振旋转器件。

1.2 本论文的研究内容

本次课题研究的内容是设计一个三层结构的偏振旋转器，其效果要能够使太赫兹波旋转90度，且保有较高的透射系数。在理论研究方面，我们打算使用CST软件，依靠它的仿真模拟功能来寻找此三层结构的偏振旋转器的最佳材料尺寸系数。此材料系数包括金属层的长宽、厚度、空气厚度以及孔的长宽。改变这些系数，观察随之变化的透射系数以及带宽。按照透射系数越高越好，带宽越宽越好的原则，寻找到一个最佳的材料系数。在做实验方面，我们就用模拟仿真所得出来的最优结果来进行实验。将打造好的金属片放置妥当之后用光谱仪测量得出实验结果。希望能够通过本次课题得到一个宽带、透射系数高且能使太赫兹波旋转90°的偏振片。

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