CN105470786A - 一种基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源 - Google Patents

一种基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，包括依次布置的光阴极、直流电子枪、过模波导；利用频率可调的激光脉冲串激发所述光阴极，光阴极发射出频率与激光脉冲串频率一致的电子团串，这些电子团经过在直流电子枪中的加速和汇聚，形成电流密度、尺寸结构均满足要求的稳定的电子团串，这些稳定的电子团串随后进入过模波导，与其中的波导模式相互耦合从而激发太赫兹辐射。能有效地避开了对起振电流的要求，可以不改变结构尺寸的情况下显著提高波导的辐射频率，使得利用较大尺寸的波导结构即可实现较高频率的太赫兹辐射。

Description

一种基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源
技术领域
本发明涉及一种电磁学的太赫兹科学技术和真空电子学技术，尤其涉及一种基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz之间的电磁波，是电磁波谱中迄今唯一尚未被完全开发的波段。因其在生物医学，材料，通信，以及国家安全等多个领域具有广阔的应用前景受到国内外科学家的普遍关注，太赫兹已成为当今科技的热点课题。太赫兹源是太赫兹科学技术的基础，也是当前制约太赫兹应用发展的主要瓶颈。
基于传统真空电子学方法的返波振荡器(BWO)是一种被普遍应用在低频太赫兹波段的辐射源，它结构紧凑且能够够产生窄带可调谐的连续波太赫兹辐射，在连续波太赫兹成像和检测等领域具有重要的应用价值。然而，现有返波管的实际应用仍然局限在低频太赫兹波段(频率低于0.3THz)，高频太赫兹辐射普遍采用倍频技术，导致辐射功率急剧下降，基于倍频技术的太赫兹源在频率接近1THz时功率已将至0.1mW以下。制约BWO产生更高频率太赫兹辐射的两大最主要的因素是：极高的起振电流密度和极小的结构尺寸。极高的起振电流密度对阴极的发射能力、电子注的聚束带来极大困难；极小的结构尺寸(微米量级)使得机械加工和实验极为困难。寻找新方法降低电流密度和增大结构尺寸是发展大功率、紧凑型的太赫兹电磁辐射源一条重要途径，对太赫兹科学技术的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、易加工的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，包括依次布置的光阴极、直流电子枪、过模波导；
利用频率可调的激光脉冲串激发所述光阴极，所述光阴极发射出频率与所述激光脉冲串频率一致的电子团串，这些电子团经过在直流电子枪中的加速和汇聚，形成电流密度、尺寸结构均满足要求的稳定的电子团串，这些稳定的电子团串随后进入所述过模波导，与其中的波导模式相互耦合从而激发太赫兹辐射。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，利用电子束团串激发过模波导产生相干电磁辐射源机制，一方面，该辐射源基于电子团之间的相干辐射与波导模的耦合，原理上不同于传统BWO的自激振荡机制，因此它有效地避开了对起振电流的要求；另一方面，它通过电子团与过模波导中的高次波导模耦合，可以不改变结构尺寸的情况下显著提高波导的辐射频率，使得利用较大尺寸的波导结构即可实现较高频率的太赫兹辐射。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源的模型二维结构示意图。
图2为本发明实施例中电子注与过模波导耦合原理图。
图3为本发明实施例中不同调制频率电子注激发的波导中的电磁辐射频谱。
图4为本发明实施例中0.1-1THz频谱范围内模型的辐射功率。
图中：
1、光阴极，2、直流电子枪，3、频率可调的电子团串，4、过模波导；
a、电子注线，b、光速线，c、过模波导色散曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，其较佳的具体实施方式是：
包括依次布置的光阴极、直流电子枪、过模波导；
利用频率可调的激光脉冲串激发所述光阴极，所述光阴极发射出频率与所述激光脉冲串频率一致的电子团串，这些电子团经过在直流电子枪中的加速和汇聚，形成电流密度、尺寸结构均满足要求的稳定的电子团串，这些稳定的电子团串随后进入所述过模波导，与其中的波导模式相互耦合从而激发太赫兹辐射。
通过调整所述激光脉冲串的频率，即可调整所述电子团串的频率，使之与所述过模波导的耦合频率一致，即可激励起该模式的相干电磁辐射。
所述过模波导包括第一次波导模至第九次波导模，当所述激光脉冲串的调制频率从0.1THz增加到1.2THz时，所述电子团串依次与所述第一次波导模至第九次波导模相互耦合，产生频率与所述激光脉冲串频率一致的电磁辐射。
所述过模波导为双边梳齿结构的矩形波导。
本发明的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，利用电子束团串激发过模波导产生相干电磁辐射源机制，一方面，该辐射源基于电子团之间的相干辐射与波导模的耦合，原理上不同于传统BWO的自激振荡机制，因此它有效地避开了对起振电流的要求；另一方面，它通过电子团与过模波导中的高次波导模耦合，可以不改变结构尺寸的情况下显著提高波导的辐射频率，使得利用较大尺寸的波导结构即可实现较高频率的太赫兹辐射。另外，根据电子团之间的相干辐射原理，辐射频率主要决定于电子团的群聚频率，因此通过调节电子团的频率使之与不同波导模式相互耦合，即可调节器件的辐射频率。
本发明具有如下优点：
1、避免或降低了起振电流密度：
本发明提出的太赫兹辐射机制在原理上消除了对起振电流的要求，解决了高密度电子注产生和聚束的技术难题。
2、增大了结构尺寸从而降低加工难度：
本发明利用高次波导模产生辐射，利用较大尺寸的波导结构即可实现较高频率的太赫兹辐射，从而降低了高频太赫兹器件的加工难度。
3、结构紧凑，有利于实用化：
该发明结构紧凑，要求的工作电压低，不需要庞大的外部附加设备，极易实现小型化和集成。
4、宽频谱可调谐：
该发明在不改变器件结构的情况下，通过调节电子团的频率或能量即可实现辐射频率从0.1THz到1THz的连续可调。
具体实施例：
如图1所示，利用频率可调的激光脉冲串激发光阴极1，阴极1发射出频率与激光脉冲串频率一致的电子团串，这些电子团经过在直流电子枪2中的加速和汇聚，形成电流密度、尺寸结构均满足要求的稳定电子团串3，这些稳定的电子团随后进入过模波导4，与其中的波导模式相互耦合从而激发太赫兹辐射。
本实施方案中，过模波导4为双边梳齿结构的矩形波导，电子注加速电压150千伏，器件的工作原理如图2所示，过模波导中存在一系列相速度比光速慢的本征波导模式，经过加速的电子团可以与波导中的多次波导模相互耦合，即图2中电子注线与波导模色散曲线相交，耦合频率即为交点频率，此频率也就是器件的辐射频率。器件工作时，通过调整激光脉冲串的频率，即调整电子团的频率使之与某一波导模的耦合频率一致，即可激励起该模式的相干电磁辐射。当激光脉冲串的调制频率从0.1THz增加到1.2THz时，电子团依次与波导中的第一次波导模到第九次波导模相互耦合，产生频率和激光串频率一致的电磁辐射。也就是说通过调整激光串频率，器件即可产生0.1THz到1.2THz之间的可调太赫兹辐射。图3为在不同调制频率电子团激励下，波导中的辐射场频谱。图4为模拟得到的器件在0.1-1.2THz频谱范围内的辐射功率，可以看到器件的辐射频率可以覆盖整个0.1-1.2THz频谱，辐射功率在几毫瓦到几百毫瓦之间。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，其特征在于，包括依次布置的光阴极、直流电子枪、过模波导；
利用频率可调的激光脉冲串激发所述光阴极，所述光阴极发射出频率与所述激光脉冲串频率一致的电子团串，这些电子团经过在直流电子枪中的加速和汇聚，形成电流密度、尺寸结构均满足要求的稳定的电子团串，这些稳定的电子团串随后进入所述过模波导，与其中的波导模式相互耦合从而激发太赫兹辐射。
2.根据权利要求1所述的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，其特征在于，通过调整所述激光脉冲串的频率，即可调整所述电子团串的频率，使之与所述过模波导的耦合频率一致，即可激励起该模式的相干电磁辐射。
3.根据权利要求2所述的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，其特征在于，所述过模波导包括第一次波导模至第九次波导模，当所述激光脉冲串的调制频率从0.1THz增加到1.2THz时，所述电子团串依次与所述第一次波导模至第九次波导模相互耦合，产生频率与所述激光脉冲串频率一致的电磁辐射。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于电子团串与过模波导耦合机制的可调谐太赫兹源，其特征在于，所述过模波导为双边梳齿结构的矩形波导。
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