太赫兹（THz）波在通信、成像、安全监测、生物医学等领域有着广阔的应用前景。随着THz技术的飞速发展，对其传输波导，特别是低损耗、单模、柔性传输等高性能THz波导的需求日益增长，这将为提高THz系统的灵活性及推动其实用化发展提供重要支撑。综述了金属膜波导和介质金属膜波导的设计和制备工艺，在0.1~0.3 THz和2.0~5.0 THz频段的损耗和单偏振单模传输等特性，以及在通信和成像等方面的应用。着重介绍了本课题组近年来在波导的设计、特性仿真、制备、测试和应用方面的研究结果。也对THz波导研制中存在的难点和发展前景进行了初步探讨。

仿真研究了介质/金属波导在140~220 GHz频段的损耗和色散特性。在该频段,当传输波长接近波导尺寸时,介质层不能降低传输损耗,但介质层导致模场结构发生变化,波导的色散进入负值区间。分析总结了具有不同介质层厚度的介质/金属波导的色散特性变化和零色散位置。提出了利用不同介质层厚度的波导对金属波导进行色散补偿的方法和方案。结果表明,通过色散补偿可以实现在不同频点的零色散特性,也可以实现一定频段范围内的平坦低色散特性。研究结果对该频段波导的结构设计和制作工艺等具有指导意义。

提出一种基于空芯光纤,兼具导电和中远红外传光性能的生物探针,实现波长5~10 μm处光的低损耗传输。采用环烯烃聚合物(COP)对探针前端进行水密封,并对封口工艺进行设计和优化。采用波长5.1 μm的光源测得长度为20 cm、内径/外径(ID/OD)为0.7 mm/1.5 mm探针的损耗为1.38 dB。通过控制封口工艺,制备不同形状的COP封口窗片,实现对输出光束的调控。通过测量不同形状封口窗片的输出光斑,分析探针的焦距及光束远场发散角,为神经科学研究和生物医学应用提供更多的途径和手段。

制作了具有不同介质膜厚度的大口径柔性介质金属膜波导, 测试了金属膜波导和介质金属膜波导在G波段、4.3 THz和中远红外等频段的传输特性.结果表明, 波导的传输损耗在G波段随介质膜厚的增加而增加, 孔径2.6 mm的金属膜波导在160 GHz传输损耗为2.1 dB/m且在G波段波导的传输损耗对弯曲不敏感.在4.3 THZ频点波导的传输损耗随介质膜厚的增加而减小, 镀制介质膜可以大幅减小波导的传输损耗以及弯曲附加损耗, 孔径3.6 mm介质膜厚为1.2 μm的介质金属膜波导的传输损耗为2.84 dB/m.光斑能量则随介质膜厚的增加更加集中于低阶传输模式.

提出了一种新型的基于金属-介质-金属的多层膜结构的空芯光纤折射率传感器,通过建立光学模型计算了该传感器的传输光谱。对介质膜材料分别为二氧化硅、环烯烃聚合物和碘化银时的传感器性能进行了分析。当空芯光纤内部检测液体折射率处于不同范围时,所设计的传感器分别利用导模共振、表面等离子体共振以及波导耦合表面等离子体共振的原理进行传感。相比于传统的空芯光纤传感器,所提的传感器不仅检测范围超大(1.3~1.64,几乎覆盖了全部液体介质的折射率)而且品质因数提高了一倍。

分析比较了不同孔径、不同膜厚的金属膜空芯波导与介质金属膜空芯波导在损耗、色散、耦合效率等方面的传输性质。研究表明, 较大的波导孔径与较小的介质膜厚能够获得较低的传输损耗。同时, 镀制一定厚度的介质膜, 将增大波导的单模传输范围并改善波导的色散特性。研究了高斯光源与波导的耦合效率, 通过选择合适的光源, 使高次模与波导的耦合效率远低于基模。讨论了介质膜对波导与光源之间耦合效率的影响, 以及其在传输波长接近波导尺寸时对波导电场分布的影响。

研究了渐变型空芯波导(GTHW)在太赫兹波段的传输特性。基于几何光学方法, 仿真分析了波导的输出光束质量和传输损耗特性。相比均匀型空芯波导, 当光从渐变型空芯波导的大端传输至小端或沿相反方向传输时, 渐变型波导具有特殊性能。当光从波导大端传输至小端, 渐变型和均匀型波导具有相似的弯曲附加损耗, 并且渐变型波导具有更高的耦合效率, 便于与多种光源耦合；当光从波导小端传输至大端, 渐变型波导的传输损耗和输出光束发散角更小。仿真了波导弯曲率、光源发散角和波导锥度等参数对传输损耗的影响。采用波长532 nm的半导体激光器作为光源, 进行了验证实验。测量数据与仿真结果有很好的一致性。

提出了基于光强检测方式的空芯光纤表面等离子体共振(SPR)传感器。采用波长为532 nm的激光作为光源,对所设计传感器的性能进行了研究, 并采用光传输模型对传感器的性能进行了理论分析, 所得理论结果与实验结果相符。传感器在线性区的最高灵敏度和最佳分辨率分别达到8380.3 μW/RIU和5.5×10－6 RIU。相比于波长检测型空芯光纤SPR传感器, 所提传感器的分辨率提高了2个数量级, 且实验系统简单, 有利于器件的进一步小型化。

设计并搭建了低温拉丝塔, 以PC(聚碳酸酯)管材为预制棒制备渐变型空芯光纤基管。在基管上镀制Ag和AgI来制备柔性渐变空芯波导, 该波导在3.3 μm波长处具有低损耗特性。通过理论和实验探究了波导的传输特性, 以甲烷作为样本气体, 通过实际测量, 探究了波导长度、弯曲半径和大小端入射等因素对系统特性的影响。结果表明, 对于渐变型空芯波导, 当光源从大端入射时能提高耦合效率, 并优化系统检测极限和灵敏度; 当光源从小端入射时, 系统将具有更大的饱和吸收度。

设计了一种基于介质膜结构的空芯光纤化学发光传感器。建立了多层膜空芯光纤非子午线几何光学传输模型，对其损耗谱和发光特性进行了仿真分析，并考虑了介质膜界面粗糙度、介质膜厚度等相关参数对化学发光及传输特性的影响。改进了溶胶 -凝胶酶基敏感膜的制作工艺，提出了分离镀膜法，并对敏感膜厚度进行了实测分析。搭建了基于介质膜空芯光纤化学发光传感器的检测系统，对过氧化氢浓度进行了实际测量。结果表明，基于本传感器的系统，得到了 22.8 nW/(mmol·L-1)的灵敏度以及 3 μmol/L的检测极限。实现了近 200 h的使用寿命。且操作简单，反应快速，可小型化，可应用于环境监测，生物分析等领域。