CN105655851A - 基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源 - Google Patents

基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，包括：脉冲激光光源，用于发射激光脉冲串；频率调节装置，用于调节所述激光脉冲串的重复频率；电子枪，所述电子枪的阴极用于吸收所述激光脉冲串并发射电子束团串，所述电子枪的阴极和阳极之间形成的大小可调的电场用于加速所述电子束团串入射至介质波导；所述介质波导用于受所述电子束团串激发形成太赫兹辐射；其中，所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导的辐射频率形成共振。一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源有效提高THz辐射源的电子与辐射间的能量转化效率，提高辐射功率，辐射频率可调，并降低THz辐射源成本。

Description

基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源
技术领域
本发明涉及电子加速器、真空电子学技术领域，更具体地说，涉及一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源。
背景技术
由于太赫兹波在生命科学，材料科学，通信技术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。太赫兹波是指频率在0.1-30THz之间的电磁波，THz源是发展太赫兹科学的基础，基于非相对论电子束激发的THz辐射源主要包括：传统真空电子学方法的返波振荡器(BWO)以及利用电子束团串激发的THz波段的史密斯-普塞尔辐射(SMITH-PURCELLradiation)。其中，第一种THz辐射源即BWO普遍应用于低频THz波段的辐射源，但其需要极高的起振电流密度，如产生频率在1THz以上的电磁辐射所需的电流密度通常要到几百A/cm2，远远超过了现有阴极的发射能力。第二种THz辐射源即利用电子束团串激发的THz波段的史密斯-普塞尔辐射，不需要高电流密度的电子束作为激发源，但其能量转化率较低，辐射功率只有1mW左右；另外，其采用的电子束团串中的微脉冲之间的间隔不能调整，因此其辐射频率也不能进行调整。利用相对论的间隔可调的电子束团串来激发介质波导产生THz辐射，虽然其可产生高功率的辐射，但是由于电子速度接近光速、其辐射只能在特定几个频率，不能进行连续调节；此外由于高能电子束需通过大型的加速器来产生，因此其造价高昂、***支持设备庞大。总之，由于现有技术中采用了光栅作为辐射介质，导致辐射转化率低，辐射功率低，由于现有技术中采用了速度为光速的相对论电子束作为激发辐射介质的激发源，导致辐射频率不可调。
因此，如何提高THz辐射源的电子与辐射间的能量转化效率以及辐射功率，同时使得THz辐射源的频率可调，并降低THz辐射源成本的是本领域人员急需要解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，有效提高THz辐射源的电子与辐射间的能量转化效率，提高辐射功率，辐射频率可调，并降低THz辐射源成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，包括：
脉冲激光光源，用于发射激光脉冲串；
频率调节装置，用于调节所述激光脉冲串的重复频率；
电子枪，所述电子枪的阴极用于吸收所述激光脉冲串并发射电子束团串，所述电子枪的阴极和阳极之间形成的大小可调的电场用于加速所述电子束团串入射至介质波导；
所述介质波导用于受所述电子束团串激发形成太赫兹辐射；
其中，所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导的辐射频率形成共振。
优选地，在上述基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源中，所述脉冲激光光源包括：
激光光源；
n组脉冲堆积光路，用于将所述激光光源发射的激光脉冲经过堆积后形成2n个激光脉冲串(n≥1)。
优选地，在上述基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源中，所述脉冲堆积光路包括：
偏振旋转器，用于将所述激光光源发射的激光旋转45°角；
偏振分束器，用于将偏振后的激光分成两束，第一束偏振激光入射至第一组反射镜中，第二束偏振激光入射至第二组反射镜中；
偏振合束器，用于将通过所述第一组反射镜反射后的所述第一束偏振激光与所述第二组反射镜反射后的所述第二束偏振激光合束之后形成激光脉冲串。
优选地，在上述基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源中，所述频率调节装置为光学延迟线，所述光学延迟线上设置有所述第二组反射镜。
优选地，在上述基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源中，所述偏振分束器为偏振分光棱镜。
优选地，在上述基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源中，还包括用于将所述激光脉冲串反射至所述电子枪的阴极的反射镜。
优选地，在上述基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源中，还包括用于对所述电子束团串进行聚焦的聚焦电极，设置于所述电子枪的阴极两端斜面上。
优选地，在上述基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源中，所述介质波导为表面包裹有金属膜的柱状中介质，所述中介质为石英玻璃中介质。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，包括：脉冲激光光源，用于发射激光脉冲串；频率调节装置，用于调节所述激光脉冲串的重复频率；电子枪，所述电子枪的阴极用于吸收所述激光脉冲串并发射电子束团串，所述电子枪的阴极和阳极之间形成的大小可调的电场用于加速所述电子束团串入射至介质波导；所述介质波导用于受所述电子束团串激发形成太赫兹辐射；其中，所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导的辐射频率形成共振。
由于介质波导的模式具有窄带宽特性，将其作为辐射介质，能够形成窄谱辐射，当所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导的辐射频率形成共振时，能够实现由电子束团串产生的太赫兹辐射相干增强，不仅大幅提高了其电子束团串与太赫兹辐射之间的能量转换效率，而且提高了辐射功率。
为了保证所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导的辐射频率形成共振，首先通过调节电子枪的阴阳极之间形成的电场大小，计算在电场加速下的电子束团串的速度，然后根据电子束团串的速度选取介质波导的模式，由于不同的介质波导的模式所对应的介质波导的辐射频率不同，因此，通过选取合适的介质波导的模式，得到与其对应的介质波导的辐射频率。之后通过频率调节装置将激光脉冲串的重复频率，使得所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导的辐射频率形成共振。实现了由电子束团串产生的太赫兹辐射相干增强，不仅大幅提高了其电子束团串与太赫兹辐射之间的能量转换效率，而且提高了辐射功率。
同时，由于本发明产生的电子束团串为非相对论电子束团串，即通过调节调节电子枪的阴阳极之间形成的电场大小来调节电子束团串的能量，使得电子束团串的速度可调，例如电子束团串的能量可为150keV，其对应的速度为0.6343倍光速，电子束团串的能量可为100keV，其对应的速度为0.5482倍光速，从而实现电子束团串在介质波导中所激发的辐射频率的可调。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源示意剖面图；
图2为本发明实施例提供的3组脉冲堆积光路的光路图；
图3为不同电压值及时间间隔的情况下电子束团串的横向尺寸随纵向位置的变化示意图；
图4为电子束频谱以及电子束在介质波导出口位置的分布剖面图；
图5为介质波导色散曲线与不同能量电子线；
图6为模拟得到的电子束激发介质波导基模的电磁辐射纵向电场分布以及其辐射频谱图；
图7为模拟得到的电子束激发介质波导基模时的辐射脉冲功率图；
图8为模拟得到的电子束激发介质波导二阶模式时的电磁辐射纵向电场分布以及其辐射频谱图；
图9为模拟得到的电子束激发介质波导二阶模式时的辐射脉冲功率图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源示意剖面图。
在一种具体的实施方式中，提供了一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，包括：脉冲激光光源101，用于发射激光脉冲串；频率调节装置，用于调节所述激光脉冲串的重复频率；电子枪103，所述电子枪103的阴极104用于吸收所述激光脉冲串并发射电子束团串，所述电子枪103的阴极104和阳极105之间形成的大小可调的电场用于加速所述电子束团串入射至介质波导106；所述介质波导106用于受所述电子束团串激发形成太赫兹辐射；其中，所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导106的辐射频率形成共振。
具体的，电子枪103与真空管道的一端进行连接，电子枪103的阴极104与真空管道的管道口相对设置，介质波导106和反射镜都置于真空管道中，激光脉冲串通过真空管道上的窗口入射至反射镜表面，然后照射到电子枪103的阴极104表面，通过光电效应在阴极104表面发射出电子束团串，电子束团串通过电子枪103阴极104与阳极105之间的电场加速后进入真空管道中的介质波导106，最终激发出THz波段的电磁辐射。
由于介质波导106的模式具有窄带宽特性，将其作为辐射介质，能够形成窄谱辐射，当所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导106的辐射频率形成共振时，能够实现由电子束团串产生的太赫兹辐射相干增强，不仅大幅提高了其电子束团串与太赫兹辐射之间的能量转换效率，而且提高了辐射功率。为了保证所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导106的辐射频率形成共振，首先通过调节电子枪103的阴阳极105之间形成的电场大小，计算在电场加速下的电子束团串的速度，然后根据电子束团串的速度选取介质波导106的模式，由于不同的介质波导106的模式所对应的介质波导106的辐射频率不同，因此，通过选取合适的介质波导106的模式，得到与其对应的介质波导106的辐射频率。之后通过频率调节装置将激光脉冲串的重复频率，使得所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导106的辐射频率形成共振。实现了由电子束团串产生的太赫兹辐射相干增强，不仅大幅提高了其电子束团串与太赫兹辐射之间的能量转换效率，而且提高了辐射功率。
同时，由于本发明产生的电子束团串为非相对论电子束团串，即通过调节调节电子枪103的阴阳极105之间形成的电场大小来调节电子束团串的能量，使得电子束团串的速度可调，例如电子束团串的能量可为150keV，其对应的速度为0.6343倍光速，电子束团串的能量可为100keV，其对应的速度为0.5482倍光速，从而实现电子束团串在介质波导106中所激发的辐射频率的可调。
本发明的电子枪103采用直流电子枪对电子进行加速，相比于现有技术中的大型加速器来说，不需要大量的***设备，如：大尺寸加速管、微波功率源，大型磁铁、辐射屏蔽环境等，使得本发明提供的基于非相对论电子束激发介质波导106的太赫兹辐射源成本低廉。
进一步的，所述脉冲激光光源101包括：激光光源201；n组脉冲堆积光路，用于将所述激光光源发射的激光脉冲经过堆积后形成2n个激光脉冲串(n≥1)。激光脉冲通过脉冲堆积光路的n次堆积后，产生由2n个激光脉冲组成的激光脉冲串。本实施方式中使用了3组堆积光路，单个脉冲通过该光路后变为8个。
进一步的，所述脉冲堆积光路202包括：偏振旋转器，用于将所述激光光源发射的激光旋转45°角；偏振分束器，用于将偏振后的激光分成两束，第一束偏振激光入射至第一组反射镜中，第二束偏振激光入射至第二组反射镜中；偏振合束器，用于将通过所述第一组反射镜反射后的所述第一束偏振激光与所述第二组反射镜反射后的所述第二束偏振激光合束之后形成激光脉冲串。
进一步的，所述偏振分束器优选为偏振分光棱镜。
具体的，激光脉冲串可通过基于偏振分光棱镜的脉冲堆积法得到，如附图2所示，水平或垂直的偏振激光通过偏振旋转器后，偏振角度旋转45度。通过偏振分光棱镜将其分成幅度相同的偏振方向分别为水平、垂直的两个脉冲，水平方向的脉冲定义为第二束偏振激光，垂直方向的脉冲定义为第一束偏振激光，水平方向的脉冲入射至第二组反射镜中，垂直方向的脉冲入射至第一组反射镜中，通过第一组反射镜与第二组反射镜的反射后，水平方向的脉冲依旧从水平方向射出，垂直方向的脉冲从垂直方向射出，两条脉冲在偏振合束器会合，将其组合在一起，形成激光脉冲串。
需要指出的是，脉冲堆积的方式包括但不限于上述脉冲堆积方法，或者使用光学拍频的方法等来产生激光脉冲串。另外，在本实施方式中，偏振分光棱镜可改为分光镜，均在保护范围之内。
进一步的，所述频率调节装置为光学延迟线，所述光学延迟线上设置有所述第二组反射镜。激光脉冲串中的两个微脉冲之间的间隔或者激光脉冲串的频率的可连续调节是在光学延迟线的控制下实现的，n个电机控制n个。光学延迟线承载第二组反射镜在水平方向运动，通过改变光程而实现激光脉冲串的重复频率的调节。
进一步的，还包括用于将所述激光脉冲串反射至所述电子枪103的阴极104的反射镜102。反射镜102可设置于真空管道中。
进一步的，还包括用于对所述电子束团串进行聚焦的聚焦电极，设置于所述电子枪103的阴极104两端斜面上。电子枪103阴极104端的斜面为聚焦电极，可对电子束进行聚焦，也可不需要聚焦电极，利用外部磁场进行聚焦，以保证电子束团串的横向尺寸不超过介质波导106的尺寸。如图3所示，模拟得到的不同电压值及时间间隔下，电子束横向尺寸随纵向位置的变化情况。
进一步的，所述介质波导106为表面包裹有金属膜的柱状中介质，所述中介质为石英玻璃中介质。介质波导106可通过拉丝法进行加工。
本发明提供的基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，为了得到某个特定频率的太赫兹辐射，可通过设定电子枪103阴极104和阳极105之间的高压值，计算在电场加速下的电子束团串的速度，然后根据电子束团串的速度选取介质波导106的模式，得到与其对应的介质波导106的辐射频率。并根据介质波导106的辐射频率设定激光脉冲串的重复频率f，得到电子束间的时间间隔为实现了激光脉冲串的重复频率与所述介质波导106的辐射频率形成共振。当设定电子枪103的阴极104与阳极105之间的高压为其他数值时，通过设定相应电子束间的时间间隔即刻得到其他频率的THz辐射。
图3为不同电压值及时间间隔的情况下电子束团串的横向尺寸随纵向位置的变化示意图。图4给出了当电子枪103的阴阳极105之间的电压为-150kV，激光脉冲间的时间间隔为7皮秒时，模拟得到的电子束频谱以及电子束在介质波导106出口位置的剖面图。附图5给出了内径为0.4mm，外径为0.9mm，材料为熔融石英(相对介电常数为3.8)的前4阶模式的色散图以及不同能量的电子线，色散线与电子线的交点对应的纵坐标即为辐射频率。附图6给出了当电子能量为150keV，电子束微脉冲间的时间间隔为7皮秒(1/0.1472THz)、微脉冲电荷量为5×10-14库伦、微脉冲个数16个时，模拟得到的该电子束团串通过一个10厘米长的波导所激发出的介质波导106基模辐射的纵向电场分布以及相应的频谱分析结果，如附图7所示，其频率为0.1472THz，辐射脉冲功率为1.75瓦的频谱分析结果。如附图8所示，其他条件不变，设定电子束微脉冲间的时间间隔(2/0.3848THz)为5.2皮秒时，介质波导106的二阶模式将被激发，其辐射的纵向电场分布。如附图9所示，模拟得到的电子束激发介质波导二阶模式时的辐射脉冲功率图。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，其特征在于，包括：
脉冲激光光源，用于发射激光脉冲串；
频率调节装置，用于调节所述激光脉冲串的重复频率；
电子枪，所述电子枪的阴极用于吸收所述激光脉冲串并发射电子束团串，所述电子枪的阴极和阳极之间形成的大小可调的电场用于加速所述电子束团串入射至介质波导；
所述介质波导用于受所述电子束团串激发形成太赫兹辐射；
其中，所述激光脉冲串的重复频率与所述介质波导的辐射频率形成共振。
2.如权利要求1所述的基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，其特征在于，所述脉冲激光光源包括：
激光光源；
n组脉冲堆积光路，用于将所述激光光源发射的激光脉冲经过堆积后形成2n个激光脉冲串(n≥1)。
3.如权利要求2所述的基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，其特征在于，所述脉冲堆积光路包括：
偏振旋转器，用于将所述激光光源发射的激光旋转45°角；
偏振分束器，用于将偏振后的激光分成两束，第一束偏振激光入射至第一组反射镜中，第二束偏振激光入射至第二组反射镜中；
偏振合束器，用于将通过所述第一组反射镜反射后的所述第一束偏振激光与所述第二组反射镜反射后的所述第二束偏振激光合束之后形成激光脉冲串。
4.如权利要求3所述的基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，其特征在于，所述频率调节装置为光学延迟线，所述光学延迟线上设置有所述第二组反射镜。
5.如权利要求4所述的基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，其特征在于，所述偏振分束器为偏振分光棱镜。
6.如权利要求1至5任一项所述的基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，其特征在于，还包括用于将所述激光脉冲串反射至所述电子枪的阴极的反射镜。
7.如权利要求6所述的基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，其特征在于，还包括用于对所述电子束团串进行聚焦的聚焦电极，设置于所述电子枪的阴极两端斜面上。
8.如权利要求7所述的基于非相对论电子束激发介质波导的太赫兹辐射源，其特征在于，所述介质波导为表面包裹有金属膜的柱状中介质，所述中介质为石英玻璃中介质。
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