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。

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。

空芯光波导(HWG)用于光谱气体检测中, 既可以实现光路的传输, 又可以充当气体样品池实现长光程高灵敏度测量, 具有体积小, 响应时间快、 成本低、 光路稳定灵活等优点。 介绍了基于镀银/碘化银的空芯光波导(Ag/AgI-HWG)、 光子带隙空芯光波导(PBG-HWG)和基片集成空芯光波导(iHWG)等类型的空芯光波导, 并总结了近年来空芯光波导在光谱气敏检测中的研究及进展, 梳理了其应用方式及应用领域。 研究表明, 空芯光波导替代传统的气体池与傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 激光吸收光谱和拉曼光谱等不同的光谱技术结合已取得一系列成果, 且已经应用于环境监测、 呼气诊断和工业过程检测和控制等领域。 其中, 基于中红外激光吸收光谱的空芯光波导传感器组成相对简单, 成本较低, 与各类光波导的兼容性和环境适应性较强, 发展前景较好。 总之, 随着激光技术、 光波导技术和光谱技术的发展, 基于空芯光波导的光谱气体检测正在迅速发展, 并逐步由实验室走向现场应用。

空心光波导（hollow waveguide, HWG）可以同时传输红外激光和目标气体, 是激光气体传感器中的新型气体池, 具有体积小、 响应速度快的特点。 基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术, 以空心光波导为气体池, 研制了氨气激光传感器。 采用波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy, WMS)技术, 同时解调气体吸收的一次谐波（1f）和二次谐波（2f）信号, 通过1f归一化2f信号实现免校准（calibration-free）测量。 利用标准气体进行验证实验, 结果表明, 传感器的响应线性度R2为0.999 8, 响应时间24 s。 Allan方差结果表明积分时间18 s时检测限为26 ppbv。 该传感器可以用于空气中痕量氨气的快速、 高灵敏检测。

基于空芯波导的柔韧性可以将若干米长的波导弯曲至半径若干厘米的圆盒内，配合光源及检测器即可得到光程长、气体容积小、响应速度快的小型化气体传感系统。建立了一种基于几何光学理论的弯曲波导传输模型，通过仿真与实验研究了弯曲空芯波导的传输与传感特性，总结了通过优化波导长度、弯曲半径、系统信噪比、波导孔径及光源发散角等参数降低系统检测极限、提高灵敏度的方法。

基于介质/金属膜结构空芯波导的原理，制作了用于太赫兹波传输的大口径柔性介质/金属膜波导。针对大口径的特点，设计改良了液相镀膜法并制作了具有不同介质膜厚的柔韧波导。对制作波导的介质膜厚和损耗谱等进行了理论分析和实验验证。采用发射频率为2.5 THz的量子级联激光器，对介质/金属膜结构太赫兹空芯波导的传输损耗、弯曲附加损耗以及光斑能量分布特性等进行了实验研究。结果表明，传输损耗及弯曲附加损耗均随介质膜厚的增加而减小，光斑能量则随介质膜厚的增加更加集中于低阶传输模式。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术具有很高的选择性和灵敏度，能够实现污染区域环境中痕量氨气(NH₃)的在线检测。影响TDLAS 系统测量精度的因素有很多，温度和压力是最基本的两个影响条件。首先介绍了TDLAS 原理和实验系统，然后研究了温度变化对检测结果的影响，温度在-10℃~50℃之间，使用空芯波导(Hollow Waveguide, HWG)气体池对浓度为50 ppm 的NH₃ 进行检测，得到其二次谐波光谱图，从图中可以得出在该温度范围内，NH₃ 二次谐波信号幅度随温度升高而减小。温度不变，气体池内压力从0 kPa 变化到100 kPa 时，二次谐波信号的幅度随着压力增加而减小。根据实验结果，给出了该系统的温度压力修正公式。修正后，50 ppm 的NH3在不同温度下的最大检测相对误差为-5.5%。对30 ppm 的NH₃ 长时间监测结果表明，修正后系统能够适应现场监测需求。

波导式光学吸收池在气体浓度测量等领域有广泛的应用前景。本文理论分析了在普通扩散环境和压差环境下波导式光学吸收池的时间响应机理和特性，并搭建了相应的传感系统，优化系统结构进行了实验验证。通过对低浓度的甲烷和甲苯气体的测量实验，验证和修正了响应时间的理论模型。实验结果表明，优化系统在可以大幅降低响应时间的同时，保持较高的灵敏度，为波导式吸收池的设计与优化提供了重要的参考。

介绍了GeO2介质膜空芯传能光纤的基本结构和相关的Miyagi传输损耗公式.在此基础上将通过实验得到的GeO2介质膜空芯光纤中HE11模在空芯光纤处于直线状态和弯曲状态下实测损耗值与Miyagi传输损耗公式经过插值运算得到的理论预测损耗曲线进行了比较,并分析了两者存在差异的原因.文章最后给出了GeO2介质膜空芯光纤在其处于直线和弯曲状态下的输出能量分布特性.