CN105207042B - 一种具有椭圆槽光栅结构的太兹波辐射源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有椭圆槽光栅结构的太兹波辐射源。该辐射源采用具有周期性的椭圆槽光栅作为注‑波互作用结构。当电子注以一定速度经过该结构时，电子注与表面慢波相互作用而群聚，产生电子束团，进而激励起Smith‑Purcell相干辐射，辐射通过平板或者曲面镜(金属或介质)汇集，产生可调、紧凑、大功率的THz波，从而有利于THz波辐射源在通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等方面的应用。

Description

一种具有椭圆槽光栅结构的太兹波辐射源
技术领域
本发明涉及真空电子学太赫兹技术领域，尤其涉及一种椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THz)波是介于远红外光波与微波毫米波之间的一种电磁辐射，其频率从100GHz到10THz(1THz＝1012Hz)，相应的波长从3毫米到30微米，THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，其独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深远影响。如今THz技术已经被用于材料、生命科学、通讯、农业及国家安全等研究中，形成了多个跨学科的研究领域。然而，一个亟待解决的问题是：如何得到一个高功率、紧凑可调的室温THz波辐射源？因为不管是从电学还是光学的角度，普通的光电子器件都在THz频率附近存在一个极限：电子器件难以高于这个THz频率，光学器件难以低于这个THz频率。因此寻求有效方法、探索新机理发展高性能的THz波辐射源是十分必要的，并且对促进THz波在军事和民用两方面的应用具有重要的战略意义。
目前可作为THz发射源的方法有多种，主要包括以下几类：半导体THz波辐射源(如THz-QCL等)；基于光子学的THz发生器；利用自由电子的THz波辐射源(包括THz真空器件、电子回旋脉塞和自由电子激光)；基于高能加速器的THz辐射源等。THz-QCL辐射源由于受到极低温度的限制成为其广泛应用的屏障，基于光子学的THz源输出的功率较低，而基于高能加速器的THz辐射源由于需要庞大的加速装置，其广泛应用包括在军事领域的应用也受到了极大的限制。在THz辐射源中，基于Smith-Purcell(SP)效应的相干辐射现象引起了科学家们的广泛研究兴趣及政府的高度关注，是目前国际上比较活跃的研究领域之一。其原理是利用电子注贴近光栅上表面运动时，产生毫米波远红外波段的辐射，辐射的频率随观察角度的变化而变化，称为SP效应。当连续电子注与光栅表面慢波互作用而群聚时，SP辐射就变成更强的相干辐射。基于此相干辐射的代表器件有SP效应自由电子激光器(free-electronlasers，简称FELs)。相对传统的FELs，SP-FELs具有紧凑、可调、大功率等优势，因此它成为真空电子学THz辐射源的一个热点研究领域。
1998年，Urata等人利用30-50keV的连续电子注驱动周期为0.17mm的光栅结构，通过注-波互作用使电子注群聚，在实验中观测到了SP效应的超辐射现象，对发展新型的SPFELs具有重要的意义。实验中光栅结构采用矩形槽金属光栅，此结构色散很强且工作在返波状态时，需要较大的电流才能起振。2005年，MIT小组利用直线加速器产生能量为15MeV的预先群聚电子束团，以此来驱动周期为1cm的光栅，在90°方向上观察到了THz波。实验中采用阶梯型光栅作为注-波互作用结构，优点是提高了效率，但是产生预先群聚的电子束团需要庞大的加速装置，限制了其广泛应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波相干辐射源。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种具有椭圆槽光栅结构太赫兹波辐射源，其特征在于，包括：
电子枪阴极，该阴极用于发射一定速度的电子注；
电子注收集极，设置于所述电子枪阴极的正对位置，所述电子枪阴极和所述电子注收集极之间形成注-波互作用区；
椭圆槽光栅结构，其设置于所述注-波互作用区中；
电子注通道，沿电子注的出射方向设置于所述椭圆槽光栅结构上表面的中间位置，与所述椭圆槽垂直，且与所述电子枪阴极发射出的电子注平行；
平板，设置于所述椭圆槽光栅结构的正上方位置，与所述椭圆槽的开口平行；
其中，所述电子枪阴极发射的电子注经过所述电子注通道，与所述椭圆槽光栅结构相互作用产生群聚电子束团，进而产生基于相干Smith-Purcell效应的太赫兹波，所述太赫兹波通过所述平板进行能量汇集，实现功率放大和增长率提高，而经过互作用结构的电子注由所述电子注收集极收集。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源具有以下有益效果：
(1)采用周期性椭圆槽光栅作为注-波互作用结构，既减弱了结构的色散同时又降低了返波工作时的起振电流，有利于电子注群聚和相干辐射的产生，从而有利于THz波辐射源的广泛应用；
(2)通过将电子注通道部分嵌入光栅结构中，减小了电子注到光栅的距离，增强了注-波互作用，同时提高了THz波辐射强度，有利于实现辐射源的高功率、小型化、紧凑化，降低了器件的研制成本；
(3)通过位于光栅正上方的平板(金属板或介质板)将辐射到开放空间的能量汇集，有利于实现辐射的收集和输出。
附图说明
图1为本发明中具有椭圆槽光栅结构的太兹波辐射源三维结构示意图；
图2为本发明中具有椭圆槽光栅结构的太兹波辐射源整体结构示意图；
图3为本发明中电子注通道截面示意图。
【本发明主要元件符号说明】
1-电子枪阴极； 2-电子注；
3-电子注收集极； 4-椭圆槽光栅结构；
5-平板(金属板或介质板)； 6-电子注通道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
本发明提供了一种椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源。该THz波辐射源采用周期性椭圆槽光栅结构，将电子注通道部分嵌入光栅中，电子注通过电子注通道，与光栅的表面慢波相互作用产生位于THz频段的SP辐射，并通过平板(金属或介质)将辐射到开放空间的能量汇集，在光栅结构末端通过耦合结构实现输出。该结构减弱了色散并实现了频率可调与能量汇集。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源。图1为根据本发明实施例THz波辐射源的结构示意图。请参照图1，本实施例椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源包括：电子枪阴极1、电子注2、电子注收集极3、椭圆槽光栅结构4、平板(金属或介质板)5以及椭圆形电子注通道6。
以下分别对本实施例椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源的各个组成部分进行详细说明。
所述电子枪阴极1用于发射一定电压的电子注2。其中，电子枪阴极可以是由带状注、圆形及椭圆形等任意一种形状构成。与其相对应的，电子注形状也可以是带状(即平面状)、圆形及椭圆形等任意一种形状。
所述电子注收集极5，设置于电子枪阴极1的正对位置，用于收集与所述椭圆槽光栅结构4表面发生互作用后的电子注，电子枪阴极和电子注收集极之间形成注-波互作用区。
所述椭圆槽光栅结构4，设置于注-波互作用区中，其为周期性光栅结构，且光栅槽是为椭圆形的椭圆槽。其中，椭圆槽可以是真空槽及填充一定介电常数的介质槽，此结构可以减弱色散的影响，当工作在返波状态时，可以有效降低结构的起振电流。所述椭圆槽光栅结构为周期性结构，其采用金属制成。
所述电子注通道6，沿电子注的出射方向设置于所述椭圆槽光栅结构上表面的中间位置(即)，与椭圆槽垂直，与电子枪阴极发射出的电子注平行。所述电子注通道6部分嵌入所述椭圆槽光栅结构中。其中，与电子注形状相对应的，电子注通道形状也可以是带状、圆形及椭圆形等任意一种形状，用于电子注的传输。
所述平板5，设置于光栅结构的正上方位置，与椭圆槽平行。其中，平板可以是金属板或具有一定介电常数的介质板，用于使辐射到开放空间的能量汇集。
所述电子枪阴极1发射的电子注经过电子注通道6，与椭圆槽光栅结构4相互作用产生群聚电子束团，群聚的电子束团激发Smith-Purcell效应的THz波，THz波通过所述平板5汇集，实现功率放大和增长率提高，并且通过末端的耦合结构实现太赫兹波输出，经过互作用后的电子注由收集极收集。
需要说明的是：通过调节外部加载在电子枪阴极1上的工作电压，可以实现此结构工作在行波段或返波段。辐射的频率随着观察角度的不同而不同，实现本实施例THz波辐射源的频率可调。
本实施例椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源不仅实现了THz信号的产生，而且还通过椭圆槽实现了注-波互作用的增强，从而缩短了电子注群聚所需的距离，降低了电子光学***的研制难度。
此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
综上所述，本发明提供一种椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源。该THz波辐射源采用椭圆槽光栅作为互作用结构，通过将电子注通道部分嵌入光栅中实现注-波互作用的增强及周期性电子束团的产生，从而产生相干的THz波辐射源，既实现了THz波产生同时又实现THz波频率可调，有利于THz波辐射源的广泛应用。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有椭圆槽光栅结构太赫兹波辐射源，其特征在于，包括：
电子枪阴极，该阴极用于发射一定速度的电子注；
电子注收集极，设置于所述电子枪阴极的正对位置，所述电子枪阴极和所述电子注收集极之间形成注-波互作用区；
椭圆槽光栅结构，其设置于所述注-波互作用区中；
电子注通道，沿电子注的出射方向设置于所述椭圆槽光栅结构上表面的中间位置，与所述椭圆槽垂直，且与所述电子枪阴极发射出的电子注平行；所述电子注通道的一部分嵌入所述椭圆槽光栅结构中；
平板，设置于所述椭圆槽光栅结构的正上方位置，与所述椭圆槽的开口平行；
其中，所述电子枪阴极发射的电子注经过所述电子注通道，与所述椭圆槽光栅结构相互作用产生群聚电子束团，进而产生基于相干Smith-Purcell效应的太赫兹波，所述太赫兹波通过所述平板进行能量汇集，实现功率放大和增长率提高，而经过互作用结构的电子注由所述电子注收集极收集。
2.根据权利要求1所述的具有椭圆槽光栅结构的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述的椭圆槽光栅结构为周期性结构。
3.根据权利要求1所述的具有椭圆槽光栅结构的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述椭圆槽光栅结构由金属制成。
4.根据权利要求1所述的具有椭圆槽光栅结构的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述椭圆槽光栅结构的椭圆槽为真空槽或填充有一定介电常数的介质槽。
5.根据权利要求1所述的具有椭圆槽光栅结构的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述平板为金属板或具有一定介电常数的介质板。
6.根据权利要求1所述的具有椭圆槽光栅结构的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述电子枪阴极的形状为以下形状中的任意一种：带状、圆形或椭圆形。
7.根据权利要求1所述的椭圆槽光栅结构Smith-Purcell效应THz波辐射源，其特征在于，所述电子注通道形状为以下形状中的任意一种：矩形、圆形或椭圆形。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105826150B (zh) * 2016-04-08 2017-09-29 中国科学技术大学 一种基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源
CN106054291B (zh) * 2016-06-16 2018-03-30 北京大学 混合型的金属‑介质ssp周期光栅***及其用途和方法
CN105938972B (zh) * 2016-07-01 2019-04-26 中国科学技术大学 一种基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源
CN107706702B (zh) * 2017-09-26 2019-07-23 中国科学技术大学 一种电磁波辐射***以及方法
CN107863672B (zh) * 2017-11-27 2019-06-21 中国科学技术大学 一种电磁波辐射方法及辐射***
CN108258574B (zh) * 2018-01-15 2019-11-22 中国科学技术大学 一种电磁波辐射***及辐射方法
CN108471039A (zh) * 2018-04-02 2018-08-31 电子科技大学 一种用于产生毫米波和太赫兹辐射的光栅结构
CN108550509B (zh) * 2018-05-21 2019-10-25 中国科学技术大学 一种电磁波辐射***及电磁波辐射方法
CN108761609A (zh) * 2018-06-05 2018-11-06 电子科技大学 一种增强史密斯帕塞尔辐射的光栅
CN108987220A (zh) * 2018-06-14 2018-12-11 深圳大学 一种具有曲线轮廓的单栅慢波结构
CN109916862B (zh) * 2019-02-27 2020-06-02 北京大学 一种增强多色相干spr器件及其控制方法
CN110137781B (zh) * 2019-05-07 2020-11-17 电子科技大学 一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构
CN110416041B (zh) * 2019-06-21 2020-11-20 中国科学院电子学研究所 一种嵌入式双电子注太赫兹返波振荡器
CN113013003B (zh) * 2021-03-23 2023-08-18 东南大学 一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光***

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4829527A (en) * 1984-04-23 1989-05-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Wideband electronic frequency tuning for orotrons
CN103346056A (zh) * 2013-06-24 2013-10-09 合肥工业大学 两级串联的太赫兹慢波结构
CN104103476A (zh) * 2014-07-22 2014-10-15 北京大学 一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源***

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050018298A1 (en) * 2003-05-16 2005-01-27 Seth Trotz Method and apparatus for generating terahertz radiation
US7626179B2 (en) * 2005-09-30 2009-12-01 Virgin Island Microsystems, Inc. Electron beam induced resonance

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4829527A (en) * 1984-04-23 1989-05-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Wideband electronic frequency tuning for orotrons
CN103346056A (zh) * 2013-06-24 2013-10-09 合肥工业大学 两级串联的太赫兹慢波结构
CN104103476A (zh) * 2014-07-22 2014-10-15 北京大学 一种基于微脉冲电子枪的太赫兹光源***

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Dispersion characteristics of planer grating with arbitrary grooves for terahertz Smith-Purcell radiation》;曹苗苗等;《Physics of plasmas》;20150306;第22卷(第3期);第033103-6页第1栏第1段-第2栏第1段 *

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