高过模膜片线的场分析及其在LCLS的THz辐射传输中的应用

本文给出可作为THz辐射传输介质的高过模膜片线结构的矢量场分析。该轴对称结构能够支持具有低传播损耗、均匀线偏振以及跨膜片近似高斯强度分布等理想特征的混合模式。能受益于这些特征的一个具体应用是将THz波荡器辐射传输数百米以抵达SLAC斯坦福的LCLS设施中的实验大厅。此类结构此前已作为边值问题，利用Vainstein阻抗边界条件并假设无限薄屏层进行过建模。鉴于此类屏层的物理实现必然具有有限厚度，且3–15 THz范围内的THz波长预计小于实践中便利的屏层厚度，有限屏层厚度对传播性能的影响问题变得颇为紧迫。为解答此问题，我们给出该结构的模式匹配分析，考虑有限屏层厚度并采用微扰聚类（局域化）场展开以保证计算可行性。可见屏层厚度效应降低了膜片线上的衰减常数，而后者主要由衍射损耗主导。基于Vainstein模型的传播损耗预测与无限薄屏层模式匹配的数值结果相比较，观察到前者在较高菲涅耳数（高过模结构）下与数值结果更吻合。主导模场的性质从第一性原理严格导出，并讨论了将屏层厚度效应纳入传播损耗估计的推荐方法。