序言：介于微波和红外之间，频段为100GHz~10THz的太赫兹波段是电磁波谱中最少研究的区域。仅仅在最近的几年中，为了T射线技术的成熟和广泛商用，THz波导技术开始被人们关注。Rice大学的研究者在这方面的研究中取得了一些重要的发现，并正在利用COMSOL Multiphysics研究太赫兹波导，以及如何实现波导与天线及其他系统元件的互联。
图1 Jason Deibel博士正使用实验装置测量光导太赫兹天线的性能，天线是利用COMSOL Multiphysics设计的。
潜在应用
随着波导效率和接口技术的发展，T射线技术由于其独特的辐射特性将会得到广泛的应用。T射线可以和X射线一样，穿透塑料、纸、干木材、和玻璃，但是却不能穿透金属和其他的导电体。有别于X射线，T射线对人体没有危险性。这些突出的优点使得T射线具有很多潜在的应用：爆炸和走私物品侦测、缺陷分析、水分检测、医学诊断、示踪气体探测、和生物医学成像。实际上， NASA在哥伦比亚空难发生之后就已经开始在宇宙航天飞机上使用太赫兹成像技术来检测油箱绝缘泡沫材料的缺陷。
图2 太赫兹系统的侧面照。该系统有多面反射镜、透镜以及其他灵敏光学元件组成。
COMSOL Multiphysics设计的波导和天线，使得系统设备的数量和大小减少了近90%。
由于缺少合适的传输T赫兹波的波导，如今大部分的系统都是静态的，而且体积庞大。因此，当Rice大学Daniel Mittleman教授领导的小组发现一种在太赫兹频率具有低损耗、低色散特性的圆柱形金属波导时，太赫兹波导研究有了重要的突破进展。然而，为了实现全面的应用，研究小组还需要研发新的太赫兹光导天线来更好的匹配线形波导。
第一个太赫兹光导天线本质上是利用线性偏振辐射的线性双偶极子发射器。研究小组将水平极化的太赫兹脉冲聚焦在0.9mm的不锈钢线形波导上时，大约只能耦合1%的入射波功率。为了提高性能，他们模拟了互相垂直的两个金属线的耦合效率，结构小于0.42%。
研究小组最近发现，通过产生偏振辐射能有效的耦合到简单金属线形波导中。因为金属线的长度是波长的许多倍，通过激发小范围区域的结构，使得能量以光速沿着金属线的表面传播。随着能量的运动，会引起载流子的震荡，进而出现表面等离子体极化效应。在金属线的末端，偏振辐射将能量释放到自由空间形成太赫兹波。通过模拟他们研究了多种效应，正在使用有限元分析（FEA）技术深入研究影响太赫兹波传播的损耗机制，以及介质薄膜的曲率的影响。
新型天线设计和模拟
如前所述，太赫兹波导的突破进展需要一个新型的天线。他们使用COMSOL Multiphysics模拟新型的天线设计方案，希望得到一个放射状的辐射场。对天线进行建模仿真，需要在径向对称坐标系中建立一个多物理场模型，包括天线内的3D电磁波传播应用模式和DC场的静电学分析。
图3 在第一个发射太赫兹的天线模型中，研究者采用理想化的天线和低反射率的边界条件。图片是辐射功率的模拟结果。
他们提出的模型设计不仅可以产生极化波束，实验结果与分析模型仿真结果非常吻合。仿真结果显示实际的极化天线不能形成完美的径向极化的太赫兹极化波束，很大程度上波束被径向极化。他们之后又模拟了极化天线的输出与线形波导之间的耦合，耦合效率接近56%，相比双金属线情况提高了近2个数量级。
数百万个自由度求解
太赫兹波传播和现象模拟非常具有挑战性，Deibel博士说。波传播仿真中，最大的网格单元大小不能大于辐射波长的1/10。模拟频率为100GHz（波长为3mm）的电磁波传播，最大的网格单元不能大于300微米；对于1THz的波，临界网格单元大小减少到30微米。
图4 太赫兹线形波导与天线的耦合模拟，并使用Si透镜对能量进行聚焦。结果显示这种方式的耦合效率超过50%。
然而现实世界中的器件和波导的特征尺寸大小不一，大的甚至可以达到厘米量级。因此小的临界网格单元大小会导致海量的网格单元数量和自由度。Deibel博士说：“在最小临界网格尺寸的条件下，会导致模型无法求解。利用良好的FEA建模技术和迭代、多网格求解器，COMSOL Multiphysics可以高效模拟和太赫兹波传播相关的工程问题和现象。”
他进一步说：“随着对FEA模拟的深入了解和更好的利用软件，我们购置了双核AMD 64位处理器和16G内存的Sun公司的工作站，扩充我们硬件的计算能力。使用直接求解器，工作站可以对包含70，000网格和百万自由度的电磁波传播模型进行求解，大约耗时36小时。如果使用GMRES 迭代求解器和SSOR矢量预调节器，类似的模型包含800，000网格110万自由度，大约耗时24小时。最近我们学习了如何使用多网格求解器。现在我们能求解包含150万网格和400万自由度大型复杂的3D电磁波模型，用时少于12小时。此外，我们利用轴对称建立模型，可以求解包含1400万个自由度的模型。我们也正在利用这种方法研究太赫兹脉冲沿着线形波导传播的问题。”
图5 Rice大学Mittleman太赫兹研究小组部分成员在太赫兹波普装置旁。左起：Jason Deibel博士，Kanglin Wang，Mathew Escarra，和Zhongping Jian。
Deibel继续说到，“我们已经把软件推到了一个新的领域，这些努力得到了COMSOL公司的支持和肯定。在每一次的升级中，我都发现了一些重要的应用。”例如，电磁场模块增加了瞬态传播应用模式。过去不得不在频域进行求解，但是现在却可以模拟一个时域脉冲，并能观察它沿着线波导的传播。
这些结果帮助Rice大学小组获得了NSF项目资助，进一步的研究和发展太赫兹波导技术，发明一种可以用在工业和化学实验室中的小巧易用的太赫兹波谱仪。Deibel 博士说，“我们希望有一天在化学实验室中太赫兹波谱仪会像红外光谱仪（FTIR）一样常见。”
COMSOL在中国，中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。
关于COMSOL Multiphysics和开发团队
COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn
COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com
