CN106058618A - 一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源。包括光阴极微波电子枪、反射镜、介质加载波导和产生激光脉冲序列的激光设备。当激光设备产生的激光脉冲串通过反射镜照射光阴极微波电子枪的阴极表面时，产生电子脉冲串，光阴极微波电子枪的阴极射出的电子脉冲串通过微波电场加速后，穿过介质加载波导，使得介质加载波导的3个模式被电子脉冲串相干激发，从而得到3种不同频率的太赫兹辐射，辐射频率为1.0 THz以上。由于3种模式都被电子束相干激发，故3种不同频率的THz辐射光均具有高功率；同时，由于波导的高阶模式（TM02、TM03模式）对应的频率更高，故本发明的THz辐射源具有高频率，且相比于其他基于电子加速器的THz 辐射源结构更加紧凑。

Description

一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源
技术领域
本发明属于电子加速器领域，具体涉及应用于太赫兹科学技术领域的太赫兹辐射源。
背景技术
太赫兹（THz）波是指频率在0.1-30THz之间的电磁波，其在物理学、生命科学、材料科学、成像技术、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。其中，为实现多色THz成像，要求光源能够同时提供多种频率的THz辐射。
为发展THz光源技术，激光、真空电子学、电子加速器领域的研究人员在近20年中进行了不懈努力。光学领域，量子级联激光器（Quantum-cascade-laser:QCL）可覆盖很宽的THz波段，其功率从几十微瓦到几百毫瓦不等。真空电子学方面，返波管（backwards-waveoscillator）、调制器（klystron）、行波管（traveling-wave tube）、回旋管（gyrotron）等均可作为THz光源器件。基于电子加速器的THz辐射源具有超高峰值功率的特点。装置规模和造价，决定了其覆盖的THz波段范围及其功率大小。而能够同时输出多个不同频率的THz辐射的光源十分少见。
介质加载波导根据不同的材料和尺寸、存在一系列的本征模式，高阶模式对应更高的频率；当电子束穿过波导结构时，相应频率的模式将被激发出来（即尾场辐射）。通过合理的选择参数，高阶模式的频率可被设计为基模频率的谐波。利用介质加载波导的这种特性，一种基于高次谐波产生法的自由电子激光太赫兹辐射源的方法已被提出（中国发明专利，专利申请号：201610035258.4），其可同时产生多个模式的THz辐射。但是，其在产生高功率、高频率的THz辐射时将面临诸多挑战。其原因在于：该方法的电子源为非相对论的低能电子（一般为百千伏左右），为获得高功率、高频率的THz辐射，要求作为辐射体的介质加载波导的尺寸很小，同时要求电子束的流强很高，而将高流强的低能电子束聚焦到很小的尺寸将面临难以克服的技术挑战。
发明内容
为了同时产生多频率、具备高功率、高频率特点的THz光源，本发明提出了一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源。
一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源包括光阴极微波电子枪1、反射镜3、介质加载波导5和产生激光脉冲序列的激光设备；
光阴极微波电子枪1连接着真空管道的一端，介质加载波导5设于真空管道的另一端内，光阴极微波电子枪1和真空管道上均套设有螺线管聚焦线圈；
光阴极微波电子枪1的阴极和介质加载波导5的入射口之间的间距为1.0-1.4米；
所述反射镜3位于光阴极微波电子枪1和介质加载波导5之间，反射镜3距光阴极微波电子枪1的阴极之间的间距为0.5-1.35米，反射镜3的反射面和光阴极微波电子枪1的阴极之间的夹角为2°-10°之间；
当激光设备产生的激光脉冲串通过反射镜3照射光阴极微波电子枪1的阴极表面时，产生电子脉冲串；通过光阴极微波电子枪1中的微波电场将其加速到相对论速度；电子脉冲串经过介质加载波导5时，介质加载波导5的前3阶模式将得到相干激发，从而得到3种不同频率的太赫兹辐射，其第3阶模式的辐射频率为1.0 THz以上。
进一步限定的技术方案如下：
所述光阴极微波电子枪1上套设有第一螺线管聚焦线圈2，与介质加载波导5对应的真空管道上套设有第二螺线管聚焦线圈4，对电子束进行横向聚焦以保证电子束半径小于介质加载波导5的管内半径。
所述介质加载波导5为管状，外表面设有金属膜。
所述金属膜材料为金、阴、铜。
当介质加载波导5的内半径为0.3 mm，外半径为0.37 mm，介质材料为相对介电常数为9.8的氧化铝时，前3阶模式的频率分别为：TM01基模辐射频率为0.3125 THz，TM02、TM03模式的频率分别为0.9277、1.5840 THz，高阶模式的频率基本为基模频率的整数倍。
当介质加载波导5的内半径为0.4 mm，外半径为0.5 mm ，介质材料为相对介电常数为8.5的超高频陶瓷时，前3阶模式的频率分别为：TM01基模辐射频率为0.2347 THz，TM02、TM03模式的频率分别为0.6935、1.1960 THz，高阶模式的频率也基本为基模频率的整数倍。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明多模式同时相干激发，可同时得到3种不同频率的THz辐射。即通过合理选择介质波导的参数将介质加载波导的TM02、TM03模式对应的频率设计为TM01模式对应频率的整数倍，通过光阴极微波电子枪产生的、相对论性的、重复频率为TM01模式对应频率的电子脉冲串对介质波导进行激发，可以同时得到3种不同频率的THz辐射光。其中多模式是指：介质加载波导存在多个频率不同的本征模式，TM01 、TM02、TM03模式即为波导的第1、2、3阶本征模式；同时相干激发是指：第1、2、3阶模式将同时被电子脉冲串相干激发、辐射出于这三个模式频率对应的THz光。
辐射频率高：辐射频率为1.0 THz以上，由于3种模式都被电子束相干激发，因此3种不同频率的THz辐射光均具有高功率的特点；同时，由于波导的高阶模式（TM02、TM03模式）对应的频率更高，因此本发明的THz辐射源具有高频率的特点。
辐射功率高：体现于两个方面: 其一，采用高能电子束作为激发源、电子束本身的功率很高；其二，电子束采用THz重复频率的脉冲串的方式，使得其出射的THz光为相干辐射。
结构相对紧凑：相比于其他基于电子加速器的THz 辐射源，本发明提出的方案结构更加紧凑。（具体说明是指体积小）。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为电子束横向尺寸及能量随纵向位置的变化图；
图3为电子束在波导中的剖面分布及其相应的相干频谱图；
图4 为模拟得到的电子束激发介质波导产生的电磁辐射的纵向电场分布以及其辐射频谱图；
图5 为模拟得到的不同模式的纵向电场分布；
图6 为模拟得到的电子束激发介质波导产生的电磁辐射的纵向电场分布以及其辐射频谱图（对于实例2的情况）；
图1中序号：光阴极微波电子枪1、第一螺线管聚焦线圈2、反射镜3、第二螺线管聚焦线圈4、介质加载波导5。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
参见图1，一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源包括光阴极微波电子枪1、反射镜3、介质加载波导5和产生激光脉冲序列的激光设备。
光阴极微波电子枪1连接着真空管道的一端，介质加载波导5设于真空管道的另一端内，光阴极微波电子枪1和真空管道上均套设有螺线管聚焦线圈；光阴极微波电子枪1上套装有第一螺线管聚焦线圈2，与介质加载波导5对应的真空管道上套装有第二螺线管聚焦线圈4，对电子束进行横向聚焦以保证电子束半径小于介质加载波导5的管内半径。
光阴极微波电子枪1的阴极和介质加载波导5的入射口之间的间距为1.2米。
反射镜3位于光阴极微波电子枪1和介质加载波导5之间，反射镜3距光阴极微波电子枪1的阴极之间的间距为1米，反射镜3的反射面和光阴极微波电子枪1的阴极之间的夹角为5°。
介质加载波导5为管状，外表面设有金属膜，金属膜材料为铜。当介质加载波导5的内半径为0.3 mm，外半径为0.37 mm ，介质材料为相对介电常数为9.8的氧化铝时，理论计算得到的前3阶模式的频率分别为：TM01基模辐射频率为0.3125 THz，TM02、TM03模式的频率分别为0.9277、1.5840 THz，高阶模式的频率基本为基模频率的整数倍。
本发明的具体工作原理详细说明如下：
参见图1，当采用激光脉冲串序列通过反射镜3照射光阴极微波电子枪1的阴极表面时，将产生由8个微脉冲组成、微脉冲之间间隔为3.25皮秒、微脉冲电荷量为20皮库的电子脉冲串。电子脉冲串通过光阴极微波电子枪中的电场进行加速、并通过第一螺线管聚焦线圈2和第二螺线管聚焦线圈4的聚焦后，模拟得到的电子束横向均方根尺寸及束流能量随纵向位置的变化情况，见图2；在介质加载波导5中心位置处电子束的剖面分布及其相应的相干频谱见图3。可以看到电子束的外半径小于介质加载波导的内半径，可以保证电子束的通过；同时介质加载波导5的前3阶模式的频率都处于电子束的相干频谱中，将使得前3阶模式被同时相干激发。
参见图4，模拟得到的在介质加载波导5内部的纵向电场分布以及对其进行傅里叶变换得到的辐射谱，可以看到辐射谱中包含3个频率，其数值与理论计算值基本吻合。对辐射谱进行反傅里叶变换，可以得到特定频率的纵向电场分布情况，如图5所示，结合理论计算公式可以得到TM01、 TM02、TM03模的辐射功率流分别为135、148、36千瓦。
实施例2
当介质加载波导5的内半径为0.4 mm，外半径为0.5 mm ，介质材料为相对介电常数为8.5的超高频陶瓷时，理论计算得到的前3阶模式的频率分别为：TM01基模辐射频率为0.2347THz，TM02、TM03模式的频率分别为0.6935、1.1960 THz，高阶模式的频率也基本为基模频率的整数倍。由图6可见，模拟得到的纵向电场分布以及对其进行傅里叶变换得到的辐射谱，可以看到辐射谱中也包含3个频率，其数值与理论计算值基本吻合。结合理论计算公式可以得到TM01、 TM02、TM03模的辐射功率流分别为120、90、23 千瓦。

Claims (6)

1.一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源，其特征在于：包括光阴极微波电子枪（1）、反射镜（3）、介质加载波导（5）和产生激光脉冲序列的激光设备；
光阴极微波电子枪（1）连接着真空管道的一端，介质加载波导（5）设于真空管道的另一端内，光阴极微波电子枪（1）和真空管道上均套设有螺线管聚焦线圈；
光阴极微波电子枪（1）的阴极和介质加载波导（5）的入射口之间的间距为1.0-1.4米；
所述反射镜（3）位于光阴极微波电子枪（1）和介质加载波导（5）之间，反射镜（3）距光阴极微波电子枪（1）的阴极之间的间距为0.5-1.35米，反射镜（3）的反射面和光阴极微波电子枪（1）的阴极之间的夹角为2°-10°之间；
当激光设备产生的激光脉冲串通过反射镜（3）照射光阴极微波电子枪（1）的阴极表面时，产生电子脉冲串；通过光阴极微波电子枪（1）中的微波电场将其加速到相对论速度；电子脉冲串经过介质加载波导（5）时，介质加载波导（5）的前3阶模式将得到相干激发，从而得到3种不同频率的太赫兹辐射，其第3阶模式的辐射频率为1.0 THz以上。
2.根据权利要求1所述的一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源，其特征在于：所述光阴极微波电子枪（1）上套设有第一螺线管聚焦线圈（2），与介质加载波导（5）对应的真空管道上套设有第二螺线管聚焦线圈（4），对电子束进行横向聚焦以保证电子束半径小于介质加载波导（5）的管内半径。
3.根据权利要求1所述的一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源，其特征在于：所述介质加载波导（5）为管状，外表面设有金属膜。
4.根据权利要求3所述的一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源，其特征在于：所述金属膜材料为金、阴、铜。
5.根据权利要求1所述的一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源，其特征在于：当介质加载波导（5）的内半径为0.3 mm，外半径为0.37 mm，介质材料为相对介电常数为9.8的氧化铝时，前3阶模式的频率分别为：TM01基模辐射频率为0.3125 THz，TM02、TM03模式的频率分别为0.9277、1.5840 THz，高阶模式的频率基本为基模频率的整数倍。
6.根据权利要求3所述的一种多模式同时相干激发的太赫兹辐射源，其特征在于：当介质加载波导（5）的内半径为0.4 mm，外半径为0.5 mm ，介质材料为相对介电常数为8.5的超高频陶瓷时，前3阶模式的频率分别为：TM01基模辐射频率为0.2347 THz，TM02、TM03模式的频率分别为0.6935、1.1960 THz，高阶模式的频率也基本为基模频率的整数倍。
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