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光电导太赫兹天线的研究

张清刚  
【摘要】:太赫兹辐射具有重大的科学价值和广阔的应用前景,其关键技术是太赫兹波的产生。光电导天线是产生宽频带太赫兹波最重要的方法之一。但目前它面临的主要问题是辐射效率较低,难以获得高功率的太赫兹波。为了能够使光电导天线有效地产生大功率,高能量,高效率的太赫兹波,本文主要研究了以下内容: 1.进行了光电导天线产生太赫兹波的理论研究 首先,利用常规微波天线的参数进一步研究光电导天线辐射效率、功率、时变电阻等参数。指出光电导天线的效率由激光与电子功率转换效率、匹配效率、辐射效率三部分构成。其中激光与电子功率转换效率、匹配效率较低,是亟待解决的问题;而时变电阻的研究有助于更好地理解光-太赫兹转换效率。 其次,建立电流瞬冲模型,根据麦克斯韦电磁理论,推导并获得了光电导天线在激光脉冲垂直入射和斜入射时产生太赫兹波的场表达式。并根据垂直入射时所得场的表达式进行数值模拟,对光电导天线近场、远场辐射随激光脉冲宽度、光生载流子寿命和载流子弛豫时间变化进行分析。 2.利用电磁仿真软件(CST)对光电导天线结构进行仿真和改进 首先,研究不同基底厚度对太赫兹辐射功率的影响,其仿真结果表明:辐射功率受基底厚度影响明显,大部分辐射功率进入基底的一侧而不是自由空间,厚度薄的基底更能辐射出较大的功率。 其次,采用在光电导天线输出端加载硅透镜和锥形喇叭结构两种方法提高增益,仿真结果表明:采用加载硅透镜时获得增益均大于19dBi,采用加载锥形喇叭结构时其增益达到20.7dBi,这说明上述两种方法都可以用来提高光电导天线的输出功率。 最后,对解决和改进太赫兹光电导天线性能的方法,作比较全面的探讨和总结:讨论了激光源相关的参数如激光强度、脉冲宽度、激励光斑尺寸及位置;光电导天线相关的参数如偏压电场、天线材料和几何结构、天线暗电阻率、基底材料等;分别给出在每一种参数下对光电导太赫兹天线性能的改进方法,这对光电导太赫兹天线的分析与设计是大有裨益的。 本论文为合理设计和有效提高光电导太赫兹天线输出功率和效率方面提供了参考依据,具有一定的指导意义。


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