王明红[1]2003年在《毫米波段自由电子激光特性的研究》文中研究表明毫米波段自由电子激光器(简称FEM)是当前自由电子激光(FEL)研究领域里的一个重要分支,它具有频带宽、频率连续可调等特点,在军用和民用方面有着巨大的应用潜力,许多国家的科研机构都在从事这方面的研究,而且已取得了重要的成果。本文对毫米波段自由电子激光器(FEM)特性做了广泛深入的研究,内容包括:椭圆波导FEM放大器的叁维非线性研究;椭圆开槽波导FEM放大器的叁维非线性研究;等离子体加载具有平板摇摆器系统FEM的线性分析;新结构Smith-Purcell型 FEM的粒子模拟及实验研究。本文首先对椭圆波导中的电磁场进行了分析,导出了椭圆波导中电磁场各分量的表达形式,给出了数值求解马丢函数特征值及系数的方法,该方法原则上适用于任意偏心率椭圆波导的计算,而且具有很高精度。在此基础上,利用叁维非线性理论,导出了以椭圆波导、平板摇摆器为FEM放大器模型的叁维非线性工作方程组,考虑了电子注发射度、空间电荷波效应、电子注在互作用区入口处的绝热压缩过程以及变参数摇摆器等因素。根据导出的方程组,进一步开发了可适用于任意椭圆度的椭圆波导FEM放大器叁维非线性数值模拟程序。利用该程序研究了椭圆波导FEM放大器的输出功率、效率、带宽等高频特性,并对不同椭圆度的椭圆波导FEM放大器的性能进行了计算、对比分析。创新地提出了在FEM放大器中使用椭圆开槽波导结构,详细地进行了理论分析和数值计算。用叁维非线性理论导出了椭圆开槽波导FEM放大器叁维自洽非线性方程组,利用数值模拟程序,研究了饱和功率、效率及带宽等高频特性,并与圆开槽波导FEM放大器性能进行对比。 在高功率微波器件和自由电子激光器的注-波互作用区,填充适当密度的等离子体可以有效地提高器件的工作特性,这引起了许多学者的关注。本文对等离子体加载具有平板摇摆器系统的自由电子激光进行了初步的探讨,利用线性理论导出了自由电子激光工作的色散方程,分析了等离子体密度对光波增长率的影响,从理论上分析了加载等离子存在临界密度,超过临界密度则不能产生激光。<WP=9> 球面开放谐振腔Smith-Purcell自由电子激光器的方案在国内外属于首创。这种方案可用于加工简单、价格低廉的系统来产生短毫米波及远红外波段的可调谐辐射信号,为毫米波、亚毫米波源的开发提供了一个新途径。本文利用MAGIC程序对该器件进行了粒子模拟研究,模拟给出器件的工作频率、输出效率、功率等参量;还通过实验测出谐振腔的频谱及腔场分布。为下一步进行热测实验提供了理论基础。本论文通过对毫米波段自由电子激光器的理论和实验研究,取得了一系列具有应用价值的研究成果:分析了椭圆波导中场分布的特点,研究了椭圆波导中马丢函数特征值及系数的数值求解方法,该方法适用于任意椭圆度的椭圆波导求解问题。首次利用叁维非线性理论对椭圆波导FEM放大器做了比较详细研究和数值分析。研究了电子注发射度、空间电荷波效应、变参数摇摆器以及波导椭圆度对高频特性的影响。发展了已有的FEM放大器叁维非线性模拟程序,使之适用于任意椭圆度的椭圆波导FEM放大器叁维非线性模拟计算。创新地提出在FEM放大器中使用椭圆开槽波导结构,并详细地进行了理论推导和数值分析。5)初步探讨了加载等离子体对具有平板摇摆器系统自由电子激光性能的影响,利用线性理论导出了自由电子激光的色散方程,从理论上析了加载等离子存在临界密度,超过临界密度则不能产生激光。 6)首次对新型的球面开放谐振腔Smith-Purcell自由电子激光实验装置进行了粒子模拟及实验研究。
刘文鑫[2]2007年在《双电子注毫米波及亚毫米波辐射源的研究》文中认为由于毫米波及亚毫米波在电磁波谱中的独特优势,使其在军事和民用两方面都存在广泛的应用前景,而源是毫米波及亚毫米波能否被利用的核心。在毫米波及亚毫米波波段,自由电子激光(Free-electron lasers,简称FEL)是一种重要的大功率、频率可调的辐射源;另一方面,基于光栅结构的真空电子器件如BWO、Orotron、SP辐射源等器件,既可以发展成为紧凑、小功率的辐射源,也可以发展成为高功率的辐射源,因而受到广泛的关注。基于这种原因,本论文探讨了利用双流不稳定性的机制改善这些器件的性能,对双电子注器件中注波互作用的特性进行了理论分析、粒子模拟和实验叁个方面的深入研究,结果表明引入双电子注可明显改善这些器件的性能。本文的主要工作如下:(1)提出了具有引导磁场的双电子注自由电子激光(FEL)。通过线性流体理论推导了具有引导磁场双电子注FEL的色散方程,并且进行了求解。结果表明:引入轴向磁场,不仅可以提高双电子注注波互作用的线性增长率,而且可以增加带宽;双电注处于最佳的速度差和电流比时,注波互作用的增长率得到了较大的提高。(2)研究了双电子注平板封闭光栅Cherenkov器件。利用流体理论和场匹配的方法,导出了双电子注情况下的色散方程。理论分析表明:由于存在双流不稳定性,使得双电子注器件的线性增长率较单电子注有明显的增加;粒子模拟表明,双电子注处于最佳电压比和电流比时,双电子注器件的辐射功率得到了显着的提高。(3)创新性地引入了双流不稳定性机制改善平板开放光栅SP器件的辐射性能。通过色散方程的求解和分析,表明在注波互作用的同步点,由于双流不稳定性,双电子注系统的线性增长率得到了明显的提高。粒子模拟表明:采用双电子注不仅可以提高SP辐射的功率、缩短饱和时间,而且可以降低起振的阈值电流。(4)研究了双电子注圆柱光栅毫米波辐射源。利用流体理论和场匹配的方法导出了分立双电子注激励圆柱光栅的色散方程,并进行了求解。结果表明:双流不稳定性改进了线性增长率。粒子模拟研究表明:双电子注系统较之单电子注系统可以获得更大的辐射功率;同时研究了双电子注之间距离对器件性能的影响,模拟发现双电子注之间的距离增大,双流不稳定性减弱,导致辐射功率快速衰减。(5)在国内首次进行了相对论双电子注绕射辐射振荡器(RDG)的实验。氖管阵列屏测试出毫米波辐射主要是对称的TM模式,利用色散延迟线测试到频率为30.27GHz;测试到双电子注RDG的辐射功率为189.69MW,而单电子注RDG的辐射功率为139.44MW。实验结果表明:采用双电子注有利于提高器件的辐射功率和增加信号脉冲宽度。
王明常, 陆载通, 张立芬, 陆宾, 冯诚士[3]1997年在《利用拉曼自由电子激光测量目标毫米波散射特性的初步研究》文中研究指明介绍拉曼自由电子激光器应用于目标的毫米波散射特性研究所做的一些探索性工作。自由电子激光器是七十年代中期出现的一种新型强相干辐射源。拉曼自由电子激光输出在毫米波段，具有高功率、可调谐等优点。利用自由电子激光辐射高能量和宽频带的特点，研究目标及材料的毫米波散射特性，开创了新的研究方向和研究途径。具有重大的应用前景。本文在这方面进行了探索性研究，得到了一些初步结果。
史宗君[4]2003年在《同轴波导FEL放大器研究》文中研究说明自由电子激光器（简称FEL），在军事和民用方面有着巨大的应用潜力，许多国家的科研机构都在从事这方面的研究，而且已经取得了重要的成果。本文深入地研究了FEL放大器的特性。用叁维非线性理论，导出了以同轴波导、同轴混合磁铁摇摆器为模型的FEL叁维自洽非线性方程组。无论工作在高增益康普顿区还是拉曼区，这套理论都适用。根据导出的方程组，独立开发了计算机模拟程序。该程序考虑了电子注发射度效应、 空间电荷效应、电子注直流场效应、互作用区入口处的绝热压缩过程以及变参数摇摆器等情况，并对编制的程序进行了可靠性论证，论证表明：该程序是可靠的。这项工作将会为国内进一步研究和发展FEL提供重要的辅助设计手段，有一定的实用价值。利用编制的数值模拟程序，主要对工作在15GHz的同轴波导FEL放大器的特性做了比较详细的数值研究，取得了一些很有价值的成果，提出了一套基于同轴波导摇摆器的FEL放大器方案。研究发现：用相对低的输入电压（205kV左右），并且在当前工艺技术经过努力能够达到的范围内，用这种结构做成的FEL放大器，在平均功率、带宽和增益等方面都能满意的效果。在同等条件下，电子注发射度对输出功率和效率产生一定的影响；使用变参数摇摆器可以提高放大器的工作效率和输出功率。设计了同轴波导FEL放大器的输入耦合器，给出了该输入装置的相关参量。用HFSS高频软件进行了仿真。得到了该耦合装置的相关参数。本文通过对同轴波导FEL放大器的研究，取得了一系列具有应用价值的研究成果：1)独立开发了同轴波导FEL放大器计算机模拟软件，本软件可在微机上运行，具有操作简单、使用方便等特点，能够对相关器件进行辅助设计。2)对15GHz同轴波导FEL放大器作了比较详细的数值分析。研究了电子注发射度、空间电荷波和电子注直流场的影响，还研究了变参数摇摆器的作用，提出了波段同轴波导FEL放大器方案。<WP=5>3)设计了该放大器的输入耦合装置，并给出了主要参数及性能指标。并用HFSS软件进行了仿真，证明了该装置在工程上是可行的。
陈蓓冉[5]2010年在《同轴型准光腔短毫米波辐射源的研究》文中指出现代军事技术的发展,对微波管频带宽度、效率以及功率等性能提出了越来越高的要求。波长在3mm～1mm范围内的短毫米波具有非常重要的开发价值。短毫米波高功率微波辐射源将会在成像雷达,精确制导,成像透视,生物武器的探测以及电磁波武器等方面有着重要的应用前景。这些研究和应用都需要有性能良好的辐射源,这也是目前高功率微波向短毫米波波段发展的关键。开放式准光腔,其频谱密度大体是一个常数,在工作波长很短的情况下有较大尺寸和较高品质因数,并可工作在高次模式。这些优点使基于开放式准光腔的电真空辐射源在短毫米波和亚毫米波段具备更大功率潜力。本文从理论出发,并借助于粒子模拟,对中心有圆柱光栅结构的同轴型准光腔的高频特性,以及环形电子注通过此系统激励短毫米波的物理过程进行了理论和实验的研究,主要工作如下:1.圆柱光栅Smith-Purcell效应的研究。我们用粒子模拟的方法研究了圆柱光栅的SP辐射特性,研究表明:当单电子束团从光栅表面经过时,圆柱光栅可以激励起两种不同的波:频率固定的表面慢波以及频率随观察角度改变的SP辐射波;采用预先群聚好的连续束团时,可观测到超辐射现象。SP超辐射波的频率为电子束团重复频率的倍频,具有锁频特性,且辐射在特定角度上有明显加强;最后采用连续电子注时,观察到在相同周期、槽深以及槽口宽度的情况下,叁角形槽圆柱光栅在二次谐波上的切向磁场幅值最大,这说明其辐射强度最大,倒梯形槽圆柱光栅则辐射强度最小。2.开放式圆柱光栅高频特性的分析。用理论推导的方法对圆柱光栅高频特性进行了研究。首先对矩形槽圆柱光栅慢波结构采用了场匹配方法进行分析,推导出了色散方程和耦合阻抗表达式。并通过编程计算求解方程。根据计算结果,进一步分析了圆柱光栅的结构参数对色散特性和耦合阻抗的影响。对于任意槽形的圆柱光栅,在槽内采用一组矩形阶梯来近似替代任意槽形状。利用相邻矩形阶梯之间的导纳递推关系求得槽口处导纳,并联合其它边界条件求得任意槽形圆柱光栅色散方程的统一形式。选取四种不同形状的槽进行讨论,发现倒梯形槽圆柱光栅具有最强的色散特性。矩形槽光栅、梯形槽光栅色散依次减弱,叁角形槽光栅的色散最弱。3.开放式圆柱光栅中环形电子注与波互作用线性理论及分析。在开放式圆柱光栅的互作用区中注入纤薄的环形电子注,通过场匹配法建立了开放式圆柱光栅系统的注波互作用线性理论模型。引入薄环状电子注表面阶跃边界条件,联合其它边界条件推导获得任意槽形圆柱光栅在小信号条件下的“热”色散方程。最后编制程序求解色散方程以及增益。结果表明:在固定频率下,存在最佳结构参数尺寸使得小信号增益最大。在选取的四种槽形状中,叁角形槽具有最宽的带宽和最小的增益,然后依次是梯形槽,矩形槽。倒梯形槽则有最窄的带宽和最大的增益。4.准光谐振腔中电子注与波互作用非线性模拟。用粒子模拟的方法对具有圆柱光栅的同轴型准光腔进行了非线性模拟。系统工作在表面波模式下,工作频率由圆柱光栅和电子注线的交点决定。圆柱光栅起到了选频的作用。当采用不同槽形圆柱光栅时,由于光栅和电子注互作用强度不同,输出功率大小也不同。采用倒梯形槽圆柱光栅时,系统的输出功率最大。分析了输出口角度与系统输出功率的关系,输出口角度越大,系统的输出功率越小。在倒置曲面镜同轴型准光腔中,由于电子注半径增大使得在相同的电流密度下电流大小比同轴型准光腔结构高好几倍,从而提高了互作用强度,模拟得到的输出功率可达900MW以上。5.具有圆柱光栅的同轴型准光腔短毫米波辐射源实验研究。在国内首次进行了W波段同轴型准光腔辐射源热测实验。设计了一套实验系统,包括电子枪、磁线圈、同轴输出通道支持环、输出喇叭等部件,并进行了各部件的实验研究,热测结果表明,在W波段得到了1.2MW的功率输出。以上工作为研制更高输出功率、更高能量和更高频率的辐射源奠定了理论和实验基础。
张进才[6]2000年在《毫米波段FEL放大器非线性特性研究》文中认为毫米波段自由电子激光器（简称FEM），是当前自由电子激光器（FEL）研究领域里的一个重要分支，在军事和民用方面有着巨大的应用潜力，许多国家的科研结构都在从事这方面的研究，而且已取得了重要的成果。 本文深入地研究了FEM放大器的特性。用叁维非线性理论，导出了矩形波导平板摇摆器自由电子激光的叁维自洽非线性方程组。无论工作在康普顿区还是拉曼区，这套理论都适用。根据导出的方程组，独立开发了计算机模拟程序。该程序考虑了初始速度零散、模式竞争、空间电荷效应、电子注在互作用区入口处的绝热压缩过程以及变参数摇摆器等情况，并对编制的程序进行了可靠性论证，论证表明：该程序是可靠的。这项工作将会为国内进一步研究和发展FEM提供重要的辅助设计手段，有重要的实用价值。 利用编制的数值模拟程序，对工作在35GHz的多模矩形波导FEM放大器的特性做了比较详细的数值研究。研究发现：在同等条件下，多模的输出功率要大于单模的输出功率；速度零散会对多模的输出功率和效率产生一定的影响；使用变参数摇摆器可以大幅度提高放大器的工作效率和输出功率，可以实现增益模式的选择，抑止高阶模式。数值模拟结果和Orzenchoski等人所做的试验结果相吻合［Phys.Rev.Lett.54，889（1985）；57，2172（1986）］。 利用编制的数值模拟程序，对工作在94GHz的FEM放大器的特性进行了研究，取得了一些很有价值的成果，提出了一套基于矩形波导平板摇摆器的FEM放大器方案。研究结果表明：用相对低的输入电压（400KV以下），并且在当前工艺技术经过努力能够达到的范围内，用这种结构做成的FEM放大器，在平均功率、带宽和增益等方面都能满足新一代3mm雷达对发射源提出的要求。
张祖存[7]2007年在《毫米波段平板矩形光栅辐射特性研究》文中指出本文对Smith-Purcell和Cherenkov两种器件进行了比较深入、全面的研究,包括理论分析及粒子模拟,取得了一些有价值的研究成果。本论文用理论分析和粒子模拟的方法分别研究了加盖板和不加盖板的平板矩形光栅的辐射特性,并对这两种情形进行了对比分析。此外,对于加盖板的平板矩形光栅,本文还研究了加挡板和有缺陷的几种变形结构对输出功率及频率的影响。本论文主要工作如下:1.先用场匹配的方法推导出加盖板及不加盖板的平板矩形光栅“冷”腔及“热”腔的色散方程,再用数值分析的方法研究了光栅参数及电子注参数对色散特性及增益特性的影响,最后还对两种光栅数值分析的结果进行了比较分析。2.用粒子模拟的方法研究了毫米波段不加盖板的平板矩形光栅的电磁波辐射特性,分析了电子注的群聚以及光栅表面场和电流的变化情况。研究表明:由于表面慢波参与注波互作用,使电子注产生群聚;表面慢波在垂直于光栅表面方向是呈指数衰减的凋落波,而谐波在传输中是并不呈指数衰减的辐射波;谐波辐射特性同Smith-Purcell效应所预期的基本一致,由于这种辐射是由群聚电子团产生的,因此是相干辐射;由于光栅的有限长度,呈指数衰减的表面慢波会从光栅两端辐射出去,变为辐射波。3.用粒子模拟的方法研究了加盖板平板矩形光栅的辐射特性。研究结果表明,与不加盖板的情形相比,辐射不再满足Smith-Purcell辐射公式,而变为Cherenkov辐射。主要讨论加盖板后的Cherenkov辐射和不加盖板的Smith-Purcell辐射的异同,并着重研究盖板高度对Cherenkov辐射的影响。4.研究了挡板及缺陷结构对输出功率的影响,研究表明,挡板及缺陷结构可以使得在加盖板的情形下器件的输出功率得到大幅度的提高;在不同的盖板高度,挡板及缺陷结构对输出功率的影响也有所不同。
詹永欣[8]2009年在《光子晶体的smith-purcell效应的研究》文中提出Smith-Purcell自由电子激光是自由电子激光的十分重要的一个分支。本篇论文就光子晶体的Smith-Purcell效应、自由电子与光子晶体的位置关系、光子晶体的结构优化,发射极发射的自由电子的发射参数等各个方面进行了比较细致、深入的研究,在建立的模型中模拟得出了一些具有很有参考价值的研究成果。该论文首先根据Smith-Purcell自由电子激光理论,了一种新型自由电子激光器的特性。特别讨论光栅和光子晶体的Smith-Purcell效应,主要对一维的光栅的Smith-Purcell效应的理论公式和Magic模拟数据相比较,验证相符合后进一步从类似光栅的光子晶体来模拟比较,然后考察光子晶体的Smith-Purcell效应。改变光子晶体的层数和排列,以及电子束的方向、数目等等来研究光子晶体的Smith-Purcell效应,从而找到较好的光子晶体结构模型和电子束等的相关参数,使得在THz波段有较强的辐射强度和较强的功率。并且还简单考察了光子晶体的带结构,以及带结构和光子晶体的Smith-Purcell的辐射峰值关系。利用二维的粒子模拟方法,采用了开放矩形腔内设置平板光栅的结构模拟出了Smith-Purcell辐射现象。利用单电子束团从光栅表面经过并在腔中设置多个不同角度的观察点,通过观察纵向磁场的等势图、腔内多点的谐振频率以及电子束团的动量空间分布图,来研究Smith-Purcell效应、Smith-Purcell辐射波和散波的区别。当单电子束团从光栅表面经过时会激励Smith-Purcell辐射,Smith-Purcell辐射频率随着角度的变化而变化,根据模拟结果得出的辐射频率与角度的变化曲线与根据Smith-Purcell辐射公式画出的理论曲线非常吻合。利用多电子束团在光栅表面经过,通过观察纵向磁场的等势图,来研究Smith-Purcell超辐射现象。通过对模拟结果进行分析和总结,Smith-Purcell超辐射也就是Smith-Purcell辐射的二次与叁次谐波频率,它们的输出角度也与Smith-Purcell辐射公式一致。然后把光栅换成光子晶体,设计多种不同的光子晶体(单层、多层,矩形,叁角形),研究光子晶体形状对Smith-Purcell辐射和散射波辐射频率的影响。与研究光栅相同的方法,同样观察到了Smith-Purcell辐射与散射,以及Smith-Purcell超辐射。对新型的开放式的光子晶体的Smith-Purcell自由电子激光器进行了建模,并利用二维的粒子模拟方法对具有代表性的圆柱形光子晶体进行研究。通过研究两种不同情况来考察,包括设置不同角度的观察窗口,单电子和多电子,以及光子晶体的矩形和叁角形排列两种结构的比较,设计并模拟了各种不同情形的光子晶体,给出了各种Smith-Purcell辐射的输出结果并做出比较分析。通过对模拟结果进行研究分析可得,采用叁角形排列的光子晶体光栅,多电子束发射可以得到相对比较大的功率输出;而且得到了THz频段的电磁波。经过模拟调试,设计出满意的Smith-Purcell辐射,得到较高功率的THz波段的电磁波波输出,对实际器件提供了有效的数据。
林娟[9]2008年在《开放谐振腔SP FEL中电子注与高频场互作用的粒子模拟研究》文中进行了进一步梳理Smith-Purcell自由电子激光简称SP FEL,是自由电子激光的一个重要分支。本文对Smith-Purcell效应和开放腔SP自由电子激光器件进行了比较深入、全面的研究,取得了一些有价值的研究成果。本文首先根据Smith-Purcell自由电子激光理论,对一种新型自由电子激光器的特性进行研究。特别讨论了Smith-Purcell效应振荡器,主要对电子运动方程以及注波互作用关系进行了分析。分析了开放式谐振腔的优点、光学谐振腔的衍射理论并且介绍了开放式谐振腔的稳定球面腔解。利用二维的粒子模拟方法,采用了在开放矩形腔内设置平板光栅的结构模拟出了Smith-Purcell辐射现象。利用单电子束团从光栅表面经过并在腔中设置多个不同角度的观察点,通过观察纵向磁场的等势图、腔内多点的谐振频率以及电子束团的动量空间分布图,来研究Smith-Purcell效应,以及SP辐射波和散射波的区别。当单电子束团从光栅表面经过时会激励SP辐射,SP辐射波的频率会随着角度的变化而变化,根据模拟结果得出的辐射频率与角度的变化曲线与根据Smith-Purcell辐射公式画出的理论曲线非常吻合。利用多个电子束团在光栅表面经过,通过观察纵向磁场的等势图,来研究SP超辐射现象。通过对模拟结果进行分析和总结,SP超辐射也就是SP辐射的二次与叁次谐波,辐射波的输出角度也与Smith-Purcell辐射公式一致。设计叁种不同的光栅结构(矩形、梯形、倒梯形),研究光栅形状对SP辐射和散射波辐射频率的影响。然后采用在圆筒腔内设置圆筒栅结构,采用与以上相同的方法,同样观察到了SP辐射波与散射波,以及SP超辐射。模拟结果同样与Smith-Purcell辐射公式非常吻合,也进一步证明了矩形结构的正确性。对新型的开放式的Smith-Purcell自由电子激光器进行了建模,并利用二维的粒子模拟方法对冷腔以及注波互作用进行研究。通过研究两种不同情况的谐振腔,包括设置角度输出口和不设置角度输出口的两种结构,设计并模拟了叁种不同形状的光栅,给出了各种激光器的输出结果并做出比较分析。通过对模拟结果进行研究分析可得,采用倒梯形光栅,可以的到相对比较大的功率输出;采用梯形光栅结构,可以得到相对大的频率输出。加工各种结构自由电子激光的实验样管,进行冷腔实验,和模拟冷腔实验的结果进行对比,结果基本相符。经过模拟调试,设计出满意的Smith-Purcell自由电子激光器,得到高功率的3mm波段的微波输出,对实际器件热测提供了有效的数据。
钟任斌[10]2012年在《太赫兹传输线研究》文中研究说明太赫兹（THz）在电磁波谱中所处的特殊位置使其具有许多优良特性，并得到世界各国的重视。随着太赫兹科技研究的深入，太赫兹频段丰富的科学内涵和独特的优越特性得以进一步认识和开发，其在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐等多个重要领域具有重要的应用前景。作为前沿性、前瞻性和战略性研究领域，太赫兹科学技术及其应用已成为国际上优先发展的领域和争相抢占的科学技术制高点，对现代科学技术、国民经济、国防建设具有重大意义。由于水汽对THz波的强烈吸收，研究适用于不同应用需求的太赫兹波导成为急需，这也促进了各种基于光学方法和微波/毫米波方法的太赫兹波导得以不断研究和发展，在各类波导中，金属线在太赫兹波段具有的优良传输特性引起了人们的关注，单金属线传输太赫兹波的实验研究还在Nature上发表。本文在分析已有太赫兹波导研究的基础上，着重对双线传输线、单线传输线和仿表面等离子体传输线进行了详细的理论研究和探讨，还对单线传输线的传输特性进行了初步实验研究。所得结果具有良好的参考价值，将有益于其在各实用系统中的应用研究。双线传输线在太赫兹频段表现出损耗低、几乎无色散等优良传输特性。由于原在低频段应用时通常采用静电学等方法对其进行理论研究。本文提出并利用双极坐标系严格求解了双线传输线的电磁场传输特性，揭示了双线传输线的一些重要物理和光学特性，包括电磁场传输过程中的旋转特性，并将计算所得导线材料为金的双线传输线阻抗结果与静电学方法所得结果进行了比较，表明静电学方法在高频段应用有一定的局限性，还对双线传输线的欧姆损耗特性进行了计算和分析。对于色散模式的解析求解和仿真共同证明了其不能在双线传输线上激发并传输，并由此提出了一个本征值问题。上述结果有利于深入了解双线传输线的物理特性，探索其在包括太赫兹的更高频段的应用。利用双极坐标系还可方便地解决如偏心同轴传输线等电磁传输问题。了解单金属线传输线的表面等离子体激元特性是认识和探索其传输太赫兹波应用的根本，然而已有研究却多停留在对称模式，且通常是采用理想的自由电子气体模型（经典Drude模型）表征金属的介电特性。本论文采用基于Fermi-Dirac分布的Sommerfeld金属理论（修正的Drude模型）表征金属的介电特性，深入系统研究了单金属线传输线中对称模式和非对称模式的传输特性与传输波长、线直径比例的关系，分析了辐射模、负色散、截止频率和谐振（渐近）频率等物理现象的发生机制，首次揭示了在金属线直径远小于传输波长情况下非对称模的模式转换、存在时间特性，探讨了其产生的物理机理，进行了初步验证性实验研究。作为最为简单也是最为典型的表面等离子体传输线，本文所得结论将有利于对单金属线上传输的表面等离子体波及其他种类传输线的表面等离子体波传输特性及其物理机制的理解和认识。最后，采用数值模拟的方法，本文计算并探讨了圆柱形仿表面等离子传输线在THz频段的应用。详细研究了结构宽度渐变和深度渐变时对金属线上表面波传输特性的影响，发现轴向渐深和渐宽槽结构能够有效改善传输电磁波的径向约束，从而显着提高传输线表面电磁波的强度，利于电磁能量的有效引导和传输,可用于近场成像、光谱和传感等。此外，利用其存在截止频率的特性，该结构还可用作滤波器，通过设定结构参数选择所需频率。
参考文献：
[1]. 毫米波段自由电子激光特性的研究[D]. 王明红. 电子科技大学. 2003
[2]. 双电子注毫米波及亚毫米波辐射源的研究[D]. 刘文鑫. 电子科技大学. 2007
[3]. 利用拉曼自由电子激光测量目标毫米波散射特性的初步研究[J]. 王明常, 陆载通, 张立芬, 陆宾, 冯诚士. 光学学报. 1997
[4]. 同轴波导FEL放大器研究[D]. 史宗君. 电子科技大学. 2003
[5]. 同轴型准光腔短毫米波辐射源的研究[D]. 陈蓓冉. 电子科技大学. 2010
[6]. 毫米波段FEL放大器非线性特性研究[D]. 张进才. 电子科技大学. 2000
[7]. 毫米波段平板矩形光栅辐射特性研究[D]. 张祖存. 电子科技大学. 2007
[8]. 光子晶体的smith-purcell效应的研究[D]. 詹永欣. 电子科技大学. 2009
[9]. 开放谐振腔SP FEL中电子注与高频场互作用的粒子模拟研究[D]. 林娟. 电子科技大学. 2008
[10]. 太赫兹传输线研究[D]. 钟任斌. 电子科技大学. 2012
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