太赫兹轨道角动量波束的产生与应用

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近年来,太赫兹波凭借其光谱信息丰富以及通信频谱资源尚未被完全开发等优势,在安全检测、成像和无线通信领域显现非常好的发展前景。轨道角动量(Orbital Angular Mo-mentum,OAM)作为电磁波的基本属性之一,可独立于幅度、相位、极化等属性,为电磁波提供了新的调制和复用维度。将太赫兹技术与轨道角动量相结合能够为短距离高速通信、成像等领域提供新的思路。目前OAM的大多数工作主要集中在射频域和光域,太赫兹OAM技术的发展才刚刚起步,在产生、检测与应用等方面均有许多问题亟待解决。本文主要研究太赫兹OAM波束的产生、解调以及其在成像领域的应用。论文研究了三种太赫兹OAM波束的产生方法,工作频率均为0.1 THz。针对螺旋相位板反射率高、波束性能差以及效率不高等问题,通过传输线理论设计了一种低反射率、高透射性的螺旋相位板天线。采用介质结构打孔方式改变单元的等效相对介电常数,通过仿真确定单元结构的具体参数,实现了模态l=±1和l=±2的低反射率高透射性的螺旋相位板,有效改善了普通螺旋相位板的能量反射问题。设计了可同时产生模态l=-1,+2的太赫兹OAM广播板,为太赫兹OAM波束的解调提供实验基础。利用超表面能够灵活调控电磁波的能力,采用在太赫兹波段具有高介电常数与低损耗特性的高阻硅,设计了硅介质的超表面天线,仿真验证了太赫兹OAM波束的产生。利用3D打印技术制作了低反射率螺旋相位板和多模广播板,搭建了太赫兹OAM天线近场扫描系统,实验测量了低反射率螺旋相位板和广播板的近场电场分布,结果与仿真吻合。测量了打孔螺旋相位板的反射率,与普通螺旋相位板相比,反射率至少降低25 dB。利用广播板进行了太赫兹OAM复用解调的验证性实验,通过相反模态的螺旋相位板解调广播板后波束中心会出现一个亮斑,可有效解调出预计的模态,为太赫兹OAM复用通信提供了实验基础。利用OAM波束提供的相位因子ejφ,又称径向希尔伯特变换因子,可以有效提取出物体的边缘轮廓,即相衬成像。仿真验证了太赫兹OAM波在相衬成像的可行性,对比了明场成像和相衬成像的成像结果,简要分析了物体尺寸、工作频率、拓扑荷数对成像结果的影响。研究了类贝塞尔振幅调制的涡旋滤波在相衬成像中的旁瓣抑制效应。最后搭建了成像系统,初步探索了太赫兹OAM在相衬成像中的应用,为太赫兹OAM波束在成像领域的进一步应用提供了技术支撑。
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