一种高双折射椭圆多孔太赫兹波导及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种传输太赫兹波的多孔导波纤维，主要用于太赫兹波的单偏振保持传输以及太赫兹偏振传感领域。
背景技术
由于在传感、通讯、安检、国防、材料、生物、医药等领域具备重大应用价值，太赫兹技术成为各国研究者普遍关注的一个热点研究领域。太赫兹波导对于太赫兹系统的小型化及灵活性的提高有重要价值。由于几乎所有材料对太赫兹辐射都有较强吸收，有很大一部分工作都集中在低损耗的太赫兹波导方面。例如，金属微线波导、亚波长塑料波导、空心光子晶体波导等都可以在一定程度上降低损耗。最近，报道了几种聚合物多孔波导，这些波导可以有效降低太赫兹波的传输损耗，并有可能获得实际应用。但对双折射太赫兹波导的研究尚且不足，只有少量研究成果见诸报道，不过它们对于偏振太赫兹传输、滤波、传感等有重要价值，非常值得关注。2008年，S.Atakaramians及其合作者提出了在多孔太赫兹波导中引入矩形孔实现双折射的方法，但考虑到材料的表面张力，在制作中很难保证矩形孔的形状，这种波导的制备相当困难。并且这种双折射太赫兹波导其双折射系数固定而不可调节，其具体应用也受到限制。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种制备方法简单的高双折射椭圆多孔太赫兹波导。
一般而言，在波导中传输的基模可分解为两个偏振模式：x和y偏振模式，定义双折射系数B：
B=neffx-neffy---(1)]]>
其中，neffx和neffy分别为波导x和y偏振模式对应的有效折射率。
对于普通的圆形多孔波导而言，其偏振模式简并，双折射系数B＝0。
本发明的发明构思是通过侧向挤压圆形多孔太赫兹波导而形成椭圆多孔太赫兹波导，使波导由原先的高阶旋转对称性降低为二阶旋转对称性，造成简并模式分裂，neffx≠neffy,]]>因此产生双折射。通过数值仿真，可以发现椭圆多孔太赫兹波导的双折射系数比其他类型双折射太赫兹波导高出许多。并且通过侧向挤压，可以方便地调节本发明椭圆形多孔太赫兹波导的双折射系数的大小。
为实现以上发明目的，本发明所采取的技术方案是：该高双折射椭圆多孔太赫兹波导的横截面上分布有椭圆形的空气孔阵列。
进一步地，本发明波导的横截面的外边界呈椭圆形。
本发明高双折射椭圆多孔太赫兹波导的制备方法是：先将圆形微细管聚集成束；后使用热塑套管将聚集成束的圆形微细管进行封装；再对热塑套管的侧壁进行挤压使热塑套管内的微细管呈椭圆形。
调节本发明高双折射椭圆多孔太赫兹波导的双折射系数的方法包括如下步骤，
步骤一：利用有限元仿真计算得到椭圆多孔太赫兹波导的形变和双折射系数之间的关系；
步骤二：根据步骤一得到的形变和双折射系数之间的关系，确定该波导要达到的双折射系数所对应的波导形变量；
步骤三：用两块平板夹持椭圆多孔太赫兹波导，并通过缩小所述两块平板之间的距离对该波导进行侧向挤压，利用CCD摄像机实时监测该波导的形变直至达到步骤二所确定的波导形变量。
相对于现有技术，本发明的优点是：(1)由于本发明椭圆形多孔太赫兹波导中引入了亚波长尺度的多空气孔阵列，且在其中传输的太赫兹波倾向于在空气孔内有较高的场强，通过适当优化该波导的结构参数，可以使得大部分太赫兹波功率在波导内无损耗的空气孔中传输，这可以大幅度降低本发明椭圆形多孔太赫兹波导的传输损耗；(2)由于本发明空气孔阵列为椭圆形，因此双折射系数高且可调、制作成本低、易于实用。
【附图说明】
图1是挤压前的圆形多孔太赫兹波导的横截面结构示意图；
图2是将图1的圆形波导挤压后获得的本发明椭圆多孔太赫兹波导的横截面结构示意图；
图3是本发明对椭圆多孔太赫兹波导的双折射系数进行调节时的示意图；
图4是本发明四种不同空气孔尺寸的椭圆多孔太赫兹波导在1.6THz频率范围内的双折射系数和频率的关系图；
图5是本发明空气孔尺寸满足d/Λ＝0.95的椭圆多孔太赫兹波导在1.6THz频率范围内的相对损耗和频率的关系图。
【具体实施方式】
图1和图2示出了本发明椭圆形多孔太赫兹波导挤压前后的结构变化。如图1所示，本发明椭圆多孔太赫兹波导在挤压前其外边界1和空气孔2的横截面均为圆形。通过对图1所示地圆形多孔太赫兹波导进行侧向挤压得到图2所示的本发明多孔太赫兹波导，该波导的横截面上分布有椭圆形的空气孔4阵列。椭圆形的空气孔4可使太赫兹波导具有高双折射和低的传输损耗。本发明太赫兹波导的横截面的外边界3可如图2所示呈椭圆形。
本发明椭圆多孔太赫兹波导的制备方法如下：先将圆形微细管聚集成束；后使用热塑套管将聚集成束的圆形微细管进行封装；再对热塑套管的侧壁进行挤压使热塑套管内的微细管呈椭圆形。
本发明波导可选用低吸收系数的聚合物材料加工制作，例如高密度聚乙烯、特氟龙等，以有效降低太赫兹波的传输损耗。
利用本发明的方法所制得的椭圆多孔太赫兹波导可通过侧向挤压的方式获得所需的不同的双折射系数。具体来说包括如下步骤：
步骤一：利用有限元仿真计算得到椭圆多孔太赫兹波导的形变和双折射系数之间的关系；
步骤二：根据步骤一得到的形变和双折射系数之间的关系，确定该波导要达到的双折射系数所对应的波导形变量；
步骤三：如图3所示，用两块安装在固定支架7上的平板，即第一平板5和第二平板6夹持椭圆多孔太赫兹波导，并通过缩小第一平板5和第二平板6之间的距离对该波导进行侧向挤压使椭圆多孔太赫兹波导的外边界3和空气孔4为椭圆形；利用CCD摄像机实时监测该波导的形变直至达到步骤二所确定的波导形变量。
如图1和图2所示，D、Λ和d分别表示未挤压前多孔太赫兹波导的外边界1的直径、空气孔2的晶格常数和直径，其中D＝7Λ。Dx、Dy、dx和dy分别为挤压后椭圆多孔太赫兹波导外边界3及空气孔4的长轴直径和短轴直径，它们分别满足如下关系：Dx＝ηD、Dy＝D/η、dx＝ηd和dy＝d/η。其中，η为挤压系数，它表示本发明椭圆形多孔太赫兹波导相对于挤压前圆形多孔太赫兹波导的挤压程度。
当挤压前圆形多孔太赫兹波导外边界1的直径D＝262.5μm、空气孔2的晶格周期Λ＝37.5μm、空气孔2的直径d＝30μm、波导材料的折射率为1.5、太赫兹波频率为1THz时，x和y偏振模式有效折射率及波导双折射系数随波导形变量的变化而变化，如表1所示。由表1可见，当挤压系数η较小时，双折射系数B相对于挤压系数η的变化接近线性。
表1
η neffx neffy B 1 1.0810 1.0810 0 1.1 1.0857 1.0751 0.0106 1.2 1.0892 1.0689 0.0203 1.3 1.0914 1.0627 0.0287 1.4 1.0925 1.0568 0.0357 1.5 1.0928 1.0514 0.0414 1.6 1.0923 1.0465 0.0458 1.7 1.0913 1.0421 0.0492 1.8 1.0898 1.0383 0.0515 1.9 1.0880 1.0349 0.0531 2.0 1.0859 1.0320 0.0539
当挤压前圆形多孔太赫兹波导外边界1的直径D＝525μm、空气孔2的晶格周期Λ＝75μm、空气孔2的直径d＝60μm、波导材料的折射率为1.5、太赫兹波频率为1THz时，x和y偏振模式有效折射率及波导双折射系数随波导形变量的变化如表2所示。由表2表明本发明多孔太赫兹波导的双折射系数B随波导形变量的变化规律和表1的相同。
表2
η neffx neffy B 1 1.1646 1.1646 0 1.1 1.1691 1.1589 0.0102 1.2 1.1724 1.1525 0.0199 1.3 1.1746 1.1457 0.0289 1.4 1.1759 1.1387 0.0372 1.5 1.1763 1.1319 0.0444 1.6 1.1761 1.1253 0.0508 1.7 1.1753 1.1191 0.0562 1.8 1.1741 1.1133 0.0608
1.9 1.1724 1.1079 0.0645 2.0 1.1705 1.1029 0.0676
当挤压前圆形多孔太赫兹波导外边界1的直径D＝420μm、空气孔2的晶格周期Λ＝60μm、波导材料的折射率为1.5时，对四种不同空气孔尺寸，即空气孔2的直径与晶格常数之比d/Λ分别为0.7、0.8、0.9和0.95的圆形多孔太赫兹波导以挤压系数η＝1.5分别进行挤压，得到椭圆多孔太赫兹波导。在1.6THz的太赫兹波频率以内，本发明椭圆多孔太赫兹波导的双折射系数随频率的变化规律如图4所示。曲线8、9、10和11分别与d/Λ为0.7、0.8、0.9和0.95时本发明椭圆多孔太赫兹波导的双折射系数随频率的变化规律相对应。图4表明，本发明椭圆多孔太赫兹波导在较宽的频率范围内都具有较高的双折射系数。
另外如图5所示，曲线a表示本发明椭圆多孔太赫兹波导的x偏振模式的相对损耗与太赫兹波频率的关系；曲线b表示本发明椭圆多孔太赫兹波导的y偏振模式的相对损耗与太赫兹波频率的关系；曲线c表示作为参考的外径为420μm的实心波导的相对损耗与太赫兹波频率的关系。其中，“相对损耗”是指波导传输损耗与波导材料的吸收系数之比。
如图5所示，当空气孔2的直径与晶格常数之比d/Λ＝0.95时，可以发现，在整个频段内，本发明椭圆形多孔太赫兹波导x偏振模式和y偏振模式的损耗系数相对于实心波导都有明显降低。当太赫兹波频率为1THz时，x偏振模式和y偏振模式的传输损耗降低至波导材料吸收系数的1/5倍和1/8。对于频率低于1THz的太赫兹波而言，本发明椭圆形多孔太赫兹波导的传输损耗降低有更大程度的降低。