專利名稱：用于太赫茲輻射的線型波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于引導(dǎo)在太赫茲范圍內(nèi)的電磁波的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代技術(shù)中廣泛使用電磁輻射的自由空間傳播。公共應(yīng)用例如是衛(wèi)星通信、電視信號的廣播和雷達(dá)。然而，在很多情況下，波的導(dǎo)向傳播是必不可少的。例子是長距離光纖光學(xué)通信和TV信號的同軸電纜引導(dǎo)。光(可見光和紅外)信號或微波信號的導(dǎo)向傳播是很久以前利用光纖和微波波導(dǎo)的發(fā)明解決的問題，其中波被限制為在一個維度中傳播。商業(yè)同軸電纜能夠承載高達(dá)67GHZ的輻射，且對于更高的頻率，當(dāng)信號的帶寬相對窄時，矩形金屬波導(dǎo)被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)?。在過去30年中，太赫茲(THz)輻射由于其寬范圍的可能的科學(xué)和商業(yè)應(yīng)用而吸引了科學(xué)團(tuán)體和工程團(tuán)體的興趣。太赫茲輻射涉及在太赫茲范圍內(nèi)，即，在IOOGHz和3THz之間的電磁波，也被稱為亞毫米輻射。太赫茲頻帶位于微波范圍的高頻邊緣與遠(yuǎn)紅外光的長波長邊緣之間。數(shù)個摩爾(molecule)的振動模態(tài)位于頻譜的這個部分中以及水非常容易阻擋在那些頻率處的波的事實使太赫茲輻射成為適當(dāng)?shù)奶阶觼硌芯坎牧系墓庾V特性，這些材料的光譜特性通常是使用紅外線、X射線或其它類型的探測信號難得到的。而且，太赫茲輻射是非電離的，因此并不被預(yù)期損害組織和DNA。因為一些頻率可穿透幾毫米的組織并接著被反射回，所以太赫茲輻射也被用于醫(yī)學(xué)成像。然而，雖然這種輻射的潛力和獨(dú)特性現(xiàn)在是相當(dāng)明顯的，但是商業(yè)太赫茲成像和光譜系統(tǒng)在市場上仍然不是非常普遍。對此的主要原因之一是利用在針對市場應(yīng)用的合理成本下的設(shè)備來產(chǎn)生、探測和特別是引導(dǎo)太赫茲輻射的內(nèi)在技術(shù)困難性。而且，在太赫茲成像和光譜中通常需要的太赫茲信號的帶寬極其寬。因此，太赫茲輻射的波導(dǎo)必須適合于大帶寬。最近，提出了適合于引導(dǎo)亞微微秒太赫茲脈沖的平行板波導(dǎo)。然而，針對光譜或成像應(yīng)用難以容易制造這種波導(dǎo)，因為光束只能在一個方向上傳播，且對于幾厘米之上的長度，其失真變得相當(dāng)大。而且，在這種波導(dǎo)中，一個維度保持未導(dǎo)向，這導(dǎo)致光束的衍射和對于較長的長度的相關(guān)損耗。作為平行板波導(dǎo)的改進(jìn)，使用標(biāo)準(zhǔn)MEMS技術(shù)制造的金屬柱和平行板波導(dǎo)的組合被提議。即使使用微制造技術(shù)實現(xiàn)的帶寬相對大(例如，大約0.5THz),該波導(dǎo)仍然被截止頻率的問題影響，因為該問題對矩形波導(dǎo)來說是典型的。而且，這個波導(dǎo)對于需要大約幾米的傳播長度的其它應(yīng)用來說仍然相對昂貴和不方便。此外，這樣的平行板波導(dǎo)由于其幾何尺寸和低靈活性而在它們應(yīng)用中受到強(qiáng)烈地限制。在Kanglin Wang和 Daniel Μ.Mittleman 在 Letters to Nature 中的文章“Metalwires for terahertz wave-guiding”中描述的新方法中，借助于金屬線來引導(dǎo)太赫茲波。然而，該設(shè)備的問題是，其引導(dǎo)能力非常有限，且當(dāng)以低彎曲半徑來彎曲該線時，導(dǎo)向場容易逃逸到空氣中，這導(dǎo)致由于高彎曲損耗所致的實際應(yīng)用的限制。而且，輻射并未被限制到線內(nèi)部，而是保持集中在其表面處，并例如在人體中的內(nèi)窺鏡應(yīng)用中可能容易與身體中不被分析所關(guān)注的部分交互。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點(diǎn)和問題，本發(fā)明的目的是提供用于引導(dǎo)在太赫茲范圍內(nèi)的電磁波的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，其中以合理的成本和生產(chǎn)努力來可實現(xiàn)寬的帶寬、長的傳播長度和低的彎曲損耗。該目的由獨(dú)立權(quán)利要求的特征解決。本發(fā)明基于將太赫茲輻射(S卩，具有從低達(dá)IOOGHz到高達(dá)數(shù)個太赫茲的頻率)的傳播電磁場限制在具有亞波長尺寸的空間中的理念。這通過使用具有帶有亞波長結(jié)構(gòu)的橫截面的線來實現(xiàn)，該亞波長結(jié)構(gòu)小于導(dǎo)向輻射的最小波長。例如，具有與太赫茲輻射的最長波長對應(yīng)的IOOGHz頻率的太赫茲輻射具有在1_的自由空間中的波長。因此，該線應(yīng)包括小于Imm的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個方面中，提供了一種用于引導(dǎo)在太赫茲范圍內(nèi)的電磁波的包括線的設(shè)備。該線包括核心結(jié)構(gòu)和至少一個限制結(jié)構(gòu)(confinement structure),其中限制結(jié)構(gòu)沿著線的縱向方向連續(xù)地延伸。限制結(jié)構(gòu)指的是在核心結(jié)構(gòu)的表面上的可限制太赫茲輻射的結(jié)構(gòu)。因為限制結(jié)構(gòu)沿著線的長度連續(xù)地延伸，線的橫截面形狀在沿著線的長度的任何點(diǎn)處保持不變。例如，可使用工業(yè)上制造的異型線，以便減小設(shè)備的生產(chǎn)成本。通過這些手段，可以在幾米的距離上以可忽略的損耗引導(dǎo)太赫茲波。在優(yōu)選實施例中，限制結(jié)構(gòu)包括至少一個凹槽或肋。在限制結(jié)構(gòu)被設(shè)計為凹槽的情況下，在線的核心結(jié)構(gòu)中形成插入部或凹陷部。如果限制結(jié)構(gòu)被設(shè)計為肋，則沿著線從核心結(jié)構(gòu)凸出地形成突出部或凸起。優(yōu)選地，限制結(jié)構(gòu)具有成角度的橫截面形狀，例如基本上三角形、矩形和/或多角形的橫截面?？赡艿?，限制結(jié)構(gòu)由至少一個凹槽和至少一個肋構(gòu)成，因而例如類似于N形或W形。此外，核心結(jié)構(gòu)可具有基本上圓形的橫截面。也就是說，核心結(jié)構(gòu)具有圓形橫截面，除了限制結(jié)構(gòu)所位于的那部分以外，即，除了在凹槽的情況下的切去部分或在肋的情況下的凸起部分以外?？商娲?，核心結(jié)構(gòu)可具有基本上三角形、矩形、多角形或星形的橫截面。在三角形核心結(jié)構(gòu)的情況下，限制結(jié)構(gòu)可存在于三角形的頂點(diǎn)。同樣，在具有很多尖頭的星形核心結(jié)構(gòu)的情況下，缺口可以起凹槽型限制結(jié)構(gòu)的作用，和/或尖頭可以起肋型限制結(jié)構(gòu)的作用。而且，核心結(jié)構(gòu)和/或線的橫截面可以是非對稱的。優(yōu)選地，限制結(jié)構(gòu)具有亞波長尺寸的至少一個尺寸。因此，限制結(jié)構(gòu)的橫截面具有小于導(dǎo)向電磁波的波長的至少一個部分。在引導(dǎo)大帶寬的電磁波的情況下，限制結(jié)構(gòu)可具有比該帶寬的最小波長更小的至少一個尺寸。優(yōu)選地，橫截面中的限制結(jié)構(gòu)的尺寸比核心結(jié)構(gòu)的直徑小。核心結(jié)構(gòu)和限制結(jié)構(gòu)中的至少一個可由導(dǎo)電材料和/或半導(dǎo)電材料制成。如果核心結(jié)構(gòu)和/或限制結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料制成，則這可包括任何金屬，優(yōu)選地是銅或不銹鋼。當(dāng)將半導(dǎo)體用于核心結(jié)構(gòu)和限制結(jié)構(gòu)中的至少一個時，可使用摻雜劑來調(diào)節(jié)線的電特性。可能地，核心結(jié)構(gòu)和限制結(jié)構(gòu)由相同的材料制成。通過使用普通的容易處理的材料(例如銅)，可減小制造成本。在優(yōu)選實施例中，線是柔性的。因此，線可被設(shè)計成使得它可以以小的彎曲半徑彎曲。因此，它可用于將太赫茲波引導(dǎo)到難以接近的檢查區(qū)域，例如當(dāng)被應(yīng)用在太赫茲內(nèi)窺鏡或?qū)Ч苤袝r。此外，線可被設(shè)計成使得沿著線傳播的電磁波具有基本上被限制在限制結(jié)構(gòu)內(nèi)和/或在線的橫截面內(nèi)的至少一個傳播模。例如，在具有V形的凹槽型限制結(jié)構(gòu)的情況下，導(dǎo)向電磁波的傳播?？杀幌拗圃赩形的底部中。接著，它也被限制在線的橫截面內(nèi)。通過這些手段，彎曲損耗以及與包圍線的環(huán)境的不希望的交互可減小。因此，該設(shè)備適合于人體內(nèi)的內(nèi)窺鏡應(yīng)用。線可附加地包括涂層(例如低損耗涂層)，在將太赫茲波引導(dǎo)到所關(guān)注的區(qū)域時該涂層減小福射損耗。用于涂層的可能材料包括苯并環(huán)丁烯(benzocyclobuten)、聚苯乙烯、聚乙烯和任何其它低損耗電介質(zhì)或其組合。這也將導(dǎo)致對導(dǎo)向輻射的較好限制。可替代地，涂層可由金屬制成。通過這些手段，涂層可防止該線所引導(dǎo)的電磁波與在線外部的材料交互。因此，可避免沿著線意外地對太赫茲輻射的暴露。此外，可減少導(dǎo)向太赫茲輻射的能量損耗和特別是彎曲損耗，得到了增加的傳播長度。有利地，涂層可形成線的外表面。因此，它圍繞核心結(jié)構(gòu)以及限制結(jié)構(gòu)。例如，如果限制結(jié)構(gòu)是凹槽，則涂層可填充該凹槽。另一方面，如果限制結(jié)構(gòu)是肋形限制結(jié)構(gòu)，則涂層可圍住突出的肋型限制結(jié)構(gòu)以及核心結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，由涂層得到了線的均勻表面。例如，包括涂層的線可具有圓形、三角形或矩形橫截面形狀。通過這些手段，涂層可防止材料積聚在線表面上的角處或凹槽中，因而避免線的污染。線可包括多于一個的限制結(jié)構(gòu)。例如，兩個限制結(jié)構(gòu)可沿著線在線的相反側(cè)上延伸。可能地，兩個限制結(jié)構(gòu)被設(shè)計成使得沿著線行進(jìn)的電磁波的傳播場相互耦合。此外，線可包括至少兩個限制結(jié)構(gòu)，其中至少一個限制結(jié)構(gòu)適合于用作將太赫茲波從太赫茲源發(fā)送到檢查區(qū)域的發(fā)送通道，且至少一個其它限制結(jié)構(gòu)適合于用作將電磁波從檢查區(qū)域發(fā)送到檢測單元的接收通道。特別是，利用四個限制結(jié)構(gòu)，存在可被獨(dú)立地用于同時發(fā)送和接收信號的兩個單獨(dú)的傳播模。在另一例子中，線可包括四個限制結(jié)構(gòu)，該四個限制結(jié)構(gòu)例如彼此間隔開大約90°角。在這里，面向彼此的兩個限制結(jié)構(gòu)可形成一對限制結(jié)構(gòu)，其中沿著這些限制結(jié)構(gòu)被引導(dǎo)的電磁波相互耦合。在這種情況下，一對限制結(jié)構(gòu)可用作用于朝著所關(guān)注的區(qū)域發(fā)送太赫茲波的發(fā)射通道，而另一對限制結(jié)構(gòu)可用作用于接收從所關(guān)注的區(qū)域反射的電磁波的接收通道。這對于太赫茲成像，例如在反射模式中的光譜或內(nèi)窺鏡應(yīng)用中的太赫茲成像是特別有用的。對于醫(yī)學(xué)干預(yù)，該設(shè)備還可包括針頭和/或?qū)Ч?，其中線被布置在針頭和/或?qū)Ч艿闹行目字小Ｍㄟ^這些手段，可實現(xiàn)太赫茲內(nèi)窺鏡或太赫茲導(dǎo)管。此外，輸出引向器(例如反射鏡)可設(shè)置在線的一端處。此外，該設(shè)備可被設(shè)計成使得它可被應(yīng)用在用于醫(yī)學(xué)成像的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中、太赫茲光譜系統(tǒng)中和/或使用集成電路的探針臺中。通過使用亞波長域限制，可增加成像和光譜系統(tǒng)的空間分辨率。此外，可實現(xiàn)較長的傳播長度，從而在太赫茲源和檢查區(qū)域之間的較長距離變得可能。在本發(fā)明的另一方面中，提供用于太赫茲成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括太赫茲信號發(fā)生器、太赫茲信號檢測器和根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的設(shè)備。該系統(tǒng)還可包括用于將太赫茲范圍內(nèi)的電磁波耦合到該設(shè)備的線中的至少一個耦合單元?？赡艿?，將同一耦合單元或另外的耦合單元用于將來自所關(guān)注的區(qū)域的電磁波耦合到太赫茲信號檢測器中。此夕卜，可設(shè)置濾波器單元、信號處理器、顯示單元、存儲器等。這樣的系統(tǒng)可應(yīng)用于在醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中，例如用于人體內(nèi)部的內(nèi)窺鏡應(yīng)用。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于太赫茲成像系統(tǒng)中例如用于分析材料，或用于對使用探針臺的集成電路的高頻測量。在本發(fā)明的另外方面中，提供了用于引導(dǎo)在太赫茲范圍內(nèi)的電磁波的方法。為此，將太赫茲范圍內(nèi)的電磁波耦合到具有核心結(jié)構(gòu)和至少一個限制結(jié)構(gòu)的線，該至少一個限制結(jié)構(gòu)在線的縱向方向上延伸。借助于可根據(jù)上面描述的任何實施例來設(shè)計的線，可以以可接受的損耗將電磁波引導(dǎo)到所關(guān)注的區(qū)域。


在附圖中:圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的線的截面圖；圖1B示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的線的截面圖；圖2示出沿著如圖1A所示的線的傳播模的坡印廷矢量(Poynting vector)的歸一化z分量的對數(shù)；暗框形區(qū)域是附圖中由于數(shù)值困難而未計算的域的部分。圖3示出了圖示傳播長度對在如圖1A所示的線中的限制結(jié)構(gòu)的深度的依賴性的圖；圖4示出了圖示傳播長度對沿著如圖1A所示的線引導(dǎo)的電磁波的頻率的依賴性的圖；圖5A示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的線的截面圖；圖5B示出了圖示傳播長度對如圖5A所示的線中的限制結(jié)構(gòu)的深度的依賴性的圖；圖6A-6C示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的線的另外的實施例的截面圖；圖7A-7C示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的線的另外的實施例的截面圖；圖8A-8C示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的線的另外的實施例的截面圖；圖9A和圖9B示出了圖示具有涂層的根據(jù)本發(fā)明的線的實施例的截面圖；圖1OA示出在用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的針內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的線；圖1OB示出沿著線的A-A’的在圖9A中所示的組件的截面圖；以及圖11示出根據(jù)本發(fā)明的用于太赫茲成像的系統(tǒng)。
具體實施例方式在圖1中，示出了根據(jù)本發(fā)明的線的橫截面的可能的簡單形式。在圖1A中，由銅或類似良導(dǎo)電材料制成的圓柱形導(dǎo)電線100沿著其縱軸設(shè)置有三角形V凹槽21。具有半徑r的線100由準(zhǔn)圓形核心結(jié)構(gòu)10構(gòu)成，其中具有凹槽深度d和凹槽張角Φ的V形凹槽21被插入。凹槽21沿著線100的整個長度延伸，使得線100的橫截面在線100的整個長度上保持不變。在如圖1A所示的實施例中，凹槽21用作可限制太赫茲輻射的限制結(jié)構(gòu)。在如圖1B所示的另一實施例中，限制結(jié)構(gòu)被實現(xiàn)為沿著線100延伸的三角形肋22。肋22具有張角Φ和深度山并從圓形核心結(jié)構(gòu)10突出。可容易通過在尖銳的預(yù)成型件上牽引線來制造這些V形限制結(jié)構(gòu)。因此，可通過用于描繪線的輪廓的常用制造技術(shù)以低成本來制造線100。已經(jīng)執(zhí)行數(shù)值模擬來顯示使用根據(jù)本發(fā)明的線作為高頻波導(dǎo)的可能性。在這些模擬中，識別出幾種傳播模，例如準(zhǔn)TM1、準(zhǔn)TM2、VpV2等。準(zhǔn)TM模指的是在完美圓形的線中的基本橫磁(TM)模的擾動,其對于非圓形線不再是嚴(yán)格地橫磁的。同樣，V1模和V2模指在完美的圓形的線中的兩個混合模HE11的擾動。然而最令人感興趣的模是V1模，其在沿著根據(jù)本發(fā)明的線傳播時幾乎完全被限制。在圖2中，報告了 V1模的坡印廷矢量的歸一化z分量的對數(shù)，其中z軸與投影平面正交。坡印廷矢量代表電磁場的能通量。對于圖2所示的模擬，使用由銅制成的線100，該線100具有如在圖1A中所示的橫截面形狀。在本示例中，傳播信號的頻率是f=300GHz，線的半徑是r=l.2mm,凹槽21的深度是d=lmm,且張角是Φ=25°。因此,如圖2所示,^^模的電磁場被完全限制在線100的橫截面內(nèi)，更精確地甚至在凹槽21內(nèi)。因此，它對彎曲損耗較不敏感。此外，該限制避免了在傳播電磁場與包圍線100的外部物體之間的交互。當(dāng)在人體內(nèi)部的內(nèi)窺鏡應(yīng)用中使用線100時，這是特別相關(guān)的。因為電磁波的其它傳播模沒有被很好的限制，傳播電磁場與外部材料的交互未被避免，且彎曲損耗較高。在圖3中，針對幾個模的傳播長度Lp被示為限制結(jié)構(gòu)的深度d的函數(shù)。傳播長度被定義為電磁強(qiáng)度衰減了 Ι/e的倍數(shù)所對應(yīng)的距離。在圖3中，針對具有如圖1A所示的三角形凹槽的銅線計算模擬，而線半徑r=l.2mm,張角Φ=25° ,傳播信號的頻率f=300GHz,且線的周圍是空氣。如可從圖3看到的，傳播長度Lp隨著限制結(jié)構(gòu)的深度d的增大而減小。所關(guān)注的傳播模，即，V1模對低于0.6mm的凹槽21的深度d具有大于2m的傳播長度而對Imm的深度d具有大于1.5m的傳播長度。重要地注意到，示例性傳播信號具有300GHz的頻率，這導(dǎo)致在自由空間中的Imm的波長。如可在圖2中看到的，信號被限制到凹槽21的一小部分，使得傳播和亞波長限制被實現(xiàn)。因此，在太赫茲范圍中的，即具有毫米范圍內(nèi)的波長的電磁波可被引導(dǎo)，而對于幾米的相當(dāng)大的距離具有低損耗。

圖4示出了傳播長度Lp對導(dǎo)向電磁信號的頻率的依賴性。在這里，甚至對于例如從300GHz到3THz的頻率的大帶寬，對于V1模，傳播長度Lp也保持實質(zhì)上不變。因此，根據(jù)本發(fā)明的線型波導(dǎo)能夠維持具有從IOOGHz —直到幾太赫茲的非常大的帶寬的信號。這對于光譜或成像應(yīng)用是特別有用的，因為它們需要及其大的帶寬。使用如圖1A所示的線100的例子在上面解釋了包括根據(jù)本發(fā)明的線100的設(shè)備的特征。然而，本發(fā)明不限于這一線形狀。相反，也可使用線100的其它橫截面形狀，例如，如在圖1B中或在圖5A、圖6和圖7中所示的。在圖5A中，示出了具有準(zhǔn)圓形核心結(jié)構(gòu)10和兩個V形凹槽21的線100。凹槽21可具有不同的深度Cl1和d2以及不同的張角。在具有在線100的相反側(cè)上的兩個限制結(jié)構(gòu)的線型波導(dǎo)中，沿著這對限制結(jié)構(gòu)行進(jìn)的電磁信號可被耦合。在圖5B中，針對雙凹槽線100示出不同模的傳播長度Lp及其對凹槽21的深度d的依賴性。在這里，沿著線100傳播的電磁信號的頻率是300GHz，且凹槽21具有相等的深度((1=4=4)。如可看到的，如果凹槽深度d為大約0.3mm,則V1模的傳播長度大于4m。因此，引導(dǎo)能力仍然存在于具有兩個限制結(jié)構(gòu)的線100中。在根據(jù)本發(fā)明的線型波導(dǎo)的另外的實施例中，限制結(jié)構(gòu)(S卩，凹槽21和肋22)的數(shù)量可增加到二或更多。在圖6、圖7、和圖8中示出了線100的橫截面形狀的例子。在圖6A中，示出了線100，其具有圓形核心結(jié)構(gòu)10和彼此間隔開90°角的兩個三角形肋22。在具有未相互耦合的兩個獨(dú)立限制結(jié)構(gòu)的線100中，例如圖6A所示的線100中，限制結(jié)構(gòu)可分別用作單獨(dú)的發(fā)送通道和接收通道。因此，一個通道可用于朝著所關(guān)注的區(qū)域引導(dǎo)太赫茲信號，而另一通道可用于將反射信號從所關(guān)注的區(qū)域傳播到信號檢測器。通過這些手段，可避免復(fù)雜的復(fù)用技術(shù)，而不需要用于發(fā)送和接收的分開的波導(dǎo)。圖6B示例性地示出了具有三角形形狀的凹槽21以及肋22的線100。然而，肋22和凹槽21可具有不同的形狀和尺寸。此外，本發(fā)明不限于限制結(jié)構(gòu)的這個幾何布置，限制結(jié)構(gòu)可適當(dāng)?shù)匾愿鞣N方式布置在核心結(jié)構(gòu)10的橫截面處。圖6C示出了具有多個限制結(jié)構(gòu)的線100的另一實施例。在所示例子中，四個凹槽21以布置在核心結(jié)構(gòu)10的準(zhǔn)圓形橫截面處的規(guī)則的間隔而間隔開，其間有90°的角。如上所述，限制結(jié)構(gòu)可具有不同的尺寸和形狀以及離彼此的不同距離。對于具有四個限制結(jié)構(gòu)的線100，面向彼此的兩個限制結(jié)構(gòu)可分別形成一對，且每對限制結(jié)構(gòu)可用作獨(dú)立的發(fā)送或接收通道。例如，一個通道可用于將由太赫茲信號發(fā)生器發(fā)送內(nèi)窺鏡探測信號引導(dǎo)到樣本的，而另一通道可同時用于將反射信號從樣本傳播回到信號檢測器。通過這些手段，只使用根據(jù)本發(fā)明的單個波導(dǎo)的成像應(yīng)用是可能的。在圖7A-7C中示出了包括矩形限制結(jié)構(gòu)的另外的實施例。在圖7A中，線100具有準(zhǔn)圓形核心結(jié)構(gòu)10，矩形凹槽21沿著線100的長度延伸，而圖7B所示的線具有矩形肋22。在圖7C中，進(jìn)一步示出可被組合的矩形限制結(jié)構(gòu)和三角形限制結(jié)構(gòu)。因此，可使用具有三角形、矩形或多角形形狀的任何正或負(fù)的限制結(jié)構(gòu)，即，肋22或凹槽21。而且，如圖8所示，線100的核心結(jié)構(gòu)10不限于圓形或準(zhǔn)圓形的橫截面。例如，如圖8A所示，核心結(jié)構(gòu)10可具有三角形橫截面，其中三角形的頂點(diǎn)可以用作正肋形限制結(jié)構(gòu)
22。在圖SB和圖SC中，示出具有星形橫截面的核心結(jié)構(gòu)10。在這里，頂點(diǎn)可以用作肋形限制結(jié)構(gòu)22，而在頂點(diǎn)之間的缺口可表示凹槽形限制結(jié)構(gòu)21。在如圖8D所示的另一例子中，示出具有矩形橫截面的核心結(jié)構(gòu)10。在這里，可在核心結(jié)構(gòu)10的表面上形成諸如凹槽21和肋22之類的限制結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的另外實施例中，線100可附加地包括涂層30，如圖9所示那樣。在圖9A中，具有V形凹槽21的準(zhǔn)圓形核心10由涂層30圍繞。涂層30填充凹槽21，從而避免在線100被使用時外來材料積聚在凹槽中。涂層30可由例如聚并環(huán)乙烯(BCB)或更便宜的材料(如聚乙烯或聚苯乙烯)之類的任何低損耗電介質(zhì)制成，這減小了輻射損耗并得到較好的限制。可替代地，涂層30可由金屬或適合于在彎曲條件下減小輻射損耗的其它材料制成。代替導(dǎo)電材料，可將半導(dǎo)體材料用于線100，由于摻雜水平，在這些波導(dǎo)的設(shè)計中增加額外的自由度。在圖9B中，具有三角形肋22的圓形核心結(jié)構(gòu)10被涂層30包圍。當(dāng)涂層30圍繞線100的核心結(jié)構(gòu)10以及限制結(jié)構(gòu)并因此形成線100的外表面時，可減小輻射損耗和與線100的周圍物體的交互。因此，對于包括涂層30的線100，太赫茲波幾乎被完全限制在線100的橫截面內(nèi)，而不論限制結(jié)構(gòu)如何。這對于正限制結(jié)構(gòu)，即，肋型限制結(jié)構(gòu)22是特別有用的，因為對于這些結(jié)構(gòu)，失去了在沒有涂層30的情況下將電磁場限制在線100的橫截面內(nèi)部的能力。此外，借助于涂層30，線100的外表面可被平滑化，例如導(dǎo)致沒有不均勻的線100的圓形橫截面，使得外來材料將更不可能沉積在線表面上而污染線100。此外，對于例如在內(nèi)窺鏡應(yīng)用中的反復(fù)使用，線100的清潔變得更容易和更有效。
可以將根據(jù)本發(fā)明的線100應(yīng)用于進(jìn)行多種應(yīng)用的設(shè)備中。例如，線100可被包括在用于醫(yī)療應(yīng)用的設(shè)備中。在這種情況下，包括根據(jù)任何上面描述的實施例的線100的設(shè)備還可包括導(dǎo)管50或醫(yī)療針。根據(jù)本發(fā)明的線型波導(dǎo)的柔韌性、其低損耗和低彎曲損耗特別適合于太赫茲內(nèi)窺鏡。對于內(nèi)窺鏡應(yīng)用，如圖1OA所不,線100可被布置在導(dǎo)管50的中心孔中，以便被引入到人體內(nèi)部。為了將現(xiàn)有的電磁波聚焦在所關(guān)注的區(qū)域，波導(dǎo)線100的頂端可以是逐漸變細(xì)的或尖的。此外，設(shè)備可包括輸出引向器，例如在導(dǎo)管的前端上的反射鏡，以便將電磁信號引導(dǎo)到人體內(nèi)部的腔的側(cè)表面。由于根據(jù)本發(fā)明的太赫茲波導(dǎo)的小直徑和對在限制結(jié)構(gòu)附近的導(dǎo)模的強(qiáng)烈限制，可以將線100放置在導(dǎo)管50內(nèi)部，并從而將太赫茲波引導(dǎo)到導(dǎo)管頂端，其中導(dǎo)管50具有開口。在這個地方，太赫茲信號與組織交互并部分地反射回到線100中。接著，可測量反射信號的頻譜以確定觀察中的組織的性質(zhì)。在圖1OB中，示出了在圖1OA中所示的設(shè)備沿著線A-A’的橫截面。導(dǎo)管50的內(nèi)徑大于線100的外徑，線100包括涂層30、凹槽型限制結(jié)構(gòu)21和核心結(jié)構(gòu)10。在本發(fā)明的另外實施例中，在光譜或成像系統(tǒng)中使用線100。為此，波導(dǎo)向設(shè)備111包括根據(jù)上述實施例之一的線100。波導(dǎo)設(shè)備111可經(jīng)由耦合單元200連接到太赫茲發(fā)生器300，使得太赫茲發(fā)生器300所產(chǎn)生的電磁波可被耦合到線100中。從檢查區(qū)域反射回的電磁信號可經(jīng)由同一耦合單元200耦合到太赫茲探測器400。可替代地，可提供用于將波導(dǎo)設(shè)備111耦合到太赫茲探測器400的第二耦合單元200’。在信號檢測之后，使用信號處理器等來分析該信號。當(dāng)然，系統(tǒng)可包括普通光譜系統(tǒng)的另外的部件，例如存儲器、顯示單元等。通過這些手段，可在遠(yuǎn)離太赫茲發(fā)生器300的特定位置處提供局部太赫茲頻譜。包括如上所述的線100的根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)設(shè)備111可被用于高頻信號(即從低于IOOGHz到幾太赫茲的信號)的低損耗波導(dǎo)的一般目的。在一個應(yīng)用中，這樣的系統(tǒng)可被應(yīng)用在醫(yī)學(xué)外科手術(shù)中用于組織分析。然后，波導(dǎo)設(shè)備111可以是包括醫(yī)療針或?qū)Ч?0的醫(yī)學(xué)介入設(shè)備，如圖10所示那樣，醫(yī)療針或?qū)Ч?0中集成了太赫茲波導(dǎo)線100。然而，所述線型波導(dǎo)也可應(yīng)用于當(dāng)前的太赫茲時域光譜儀，以便引導(dǎo)太赫茲信號并將它們聚焦到亞波長尺寸。在這種情況下，在線的起始部分處將太赫茲信號耦合到線100內(nèi)，且線100的尾端可用于掃描樣本?？墒褂闷胀ǖ臅r域復(fù)用技術(shù)或通過使用如上所述的由線100的限制結(jié)構(gòu)所形成的兩個獨(dú)立的通道，通過末尾的頂端來發(fā)射并收集太赫茲輻射。因為信號被聚焦到亞波長尺寸，所研究的表面的圖像將具有比使用基于自由傳播太赫茲光束的成像系統(tǒng)得到的圖像的分辨率更高的分辨率，其中分辨率被所使用的輻射的波長限制，即，在這里是在毫米的數(shù)量級。根據(jù)本發(fā)明的線100和線型波導(dǎo)設(shè)備111的另外應(yīng)用位于使用探針臺的集成電路的高頻測量的領(lǐng)域內(nèi)?，F(xiàn)在，由于能夠在67GHz之上適當(dāng)?shù)毓ぷ鞯耐S電纜的缺少，借助于集成電路的在67GHz之上的測量是非常不可行的，且必須在頻段中被執(zhí)行。所提出的線型波導(dǎo)的使用可以是對在截止頻率之上的已經(jīng)存在的矩形波導(dǎo)和同軸電纜的適當(dāng)和簡單的代替。根據(jù)本發(fā)明，沿著波導(dǎo)線的縱向方向的太赫茲波的限制和傳播可在幾米的長距離上實現(xiàn)，而沒有不量的損耗。太赫茲輻射被限制到在一個維度上的傳播可借助于具有有界限的橫截面的線來實現(xiàn)，該線具有至少一個正限制結(jié)構(gòu)和/或負(fù)限制結(jié)構(gòu)，即，肋或凹槽。這樣的維度限制的波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)在于其可能的應(yīng)用以及與平面波導(dǎo)相比的不同波現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，提出了適合于傳播從低至IOOGHz到幾太赫茲的高頻和寬帶信號的高頻波導(dǎo)。此夕卜，因為線型波導(dǎo)是柔性的，它具有多個應(yīng)用區(qū)域且是非常通用的。此外，可通過使用常用的導(dǎo)體材料(例如銅)來制造根據(jù)本發(fā)明的線型波導(dǎo)。因此，制造成本應(yīng)與常規(guī)銅線的成本應(yīng)是可比較的。
權(quán)利要求
1.一種用于引導(dǎo)在太赫茲范圍內(nèi)的電磁波的設(shè)備，包括: 線(100)，其具有核心結(jié)構(gòu)(10)和至少一個限制結(jié)構(gòu)(21、22)， 其中，所述限制結(jié)構(gòu)(21、22 )沿著所述線(100 )的長度連續(xù)地延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述限制結(jié)構(gòu)(21、22)包括至少一個凹槽(21)和/或至少一個肋(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，所述核心結(jié)構(gòu)(10)具有基本上圓形的橫截面，和/或所述限制結(jié)構(gòu)(21、22)具有基本上三角形和/或矩形的橫截面。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述限制結(jié)構(gòu)(21、22)的至少一個尺寸具有亞波長尺寸。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述核心結(jié)構(gòu)(10)和/或所述限制結(jié)構(gòu)(21、22)由導(dǎo)電材料、半導(dǎo)電材料、摻雜半導(dǎo)體材料、金屬、銅和/或不銹鋼制成。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，沿著所述線(100)被引導(dǎo)的所述電磁波包括基本上被限制在所述限制結(jié)構(gòu)(21、22)內(nèi)和/或所述線(100)的橫截面內(nèi)的至少一個傳播模。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述線(100)是柔性的。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述線(100)包括涂層(30)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述涂層(30)圍繞所述核心結(jié)構(gòu)(10)和所述限制結(jié)構(gòu)(21、22)，使得所述線(100)的橫截面具有圓形、三角形或矩形的形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備，其中，所述涂層(30)是低損耗涂層，和/或其中，所述涂層(30)的材料包括金屬、聚并苯乙烯和/或聚乙烯。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述線(100)包括相互耦合的彼此相對的至少一對限制結(jié)構(gòu)(21、22)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述線(100)包括適合于分別用作發(fā)送通道和接收通道的至少兩個限制結(jié)構(gòu)(21、22)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備還包括用于醫(yī)療介入的針(50)和/或?qū)Ч?，其中，在具有比所述線的直徑大的直徑的所述針(100)和/或所述導(dǎo)管中設(shè)置中心孔。
14.一種用于太赫茲成像的系統(tǒng)，包括: -太赫茲信號發(fā)生器(300)； -太赫茲信號檢測器(400);以及 -根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的設(shè)備。
15.一種用于引導(dǎo)在太赫茲范圍內(nèi)的電磁波的方法，包括下列步驟: 將電磁波耦合到具有核心結(jié)構(gòu)(10)和至少一個限制結(jié)構(gòu)(21、22)的線(100)中，所述至少一個限制結(jié)構(gòu)(21、22)沿著所述線(100)的長度連續(xù)地延伸；以及 將所述電磁波沿著所述線(100)引導(dǎo)到所關(guān)注的區(qū)域。
全文摘要
為了以低彎曲損耗和大帶寬在幾米的長距離上引導(dǎo)在太赫茲范圍內(nèi)的電磁波，提供了一種設(shè)備、系統(tǒng)和方法，使得可將太赫茲范圍內(nèi)的電磁波耦合到具有核心結(jié)構(gòu)和至少一個限制結(jié)構(gòu)的線中，其中該限制結(jié)構(gòu)沿著線的長度連續(xù)地延伸。
文檔編號G01N21/35GK103155271SQ201180049237
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者L·特里波迪, J·戈梅里瓦斯, P·G·范勒芬, M·C·范伯登, A·A-M·貝里耶, M·K·馬特斯-卡默勒 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司