CN111799640B - 基于受激放大相干spr辐射的太赫兹辐射器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种基于受激放大相干Smith‑Purcell辐射的太赫兹辐射器，包括：电子发射源，用于发射电子束；泵浦源，用于发射泵浦信号，泵浦信号与一级光栅结构进行相互作用得到初步群聚电子；初步群聚电子与一级光栅结构进行相互作用产生相干Smith‑Purcell辐射；与泵浦信号在一级谐振腔结构内垂直谐振，使得电子群聚密度增大，进而使得相干Smith‑Purcell辐射增强；自由电子和相干Smith‑Purcell辐射形成正反馈过程，得到受激放大的相干Smith‑Purcell辐射和周期性群聚电子团。本发明实施例提供的太赫兹辐射器可以在小电流和大束斑的条件下实现受激放大现象。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹辐射源领域，尤其涉及一种基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器。
背景技术
经过深入研究发现，现有的基于真空电子器件的太赫兹(THz-Terahertz)辐射源在实现高频THz辐射(大于0.3THz)时非常困难。尤其是要想实现受激Smith-Purcell辐射，电子枪需要满足极高的要求，电子枪的束流需要满足以下两个条件：首先是电子枪的束斑直径需要足够小，才能保证电子束和慢波结构之间的作用距离足够近，从而产生辐射场；其次电子束的电流强度需要足够大，才能满足电子受激辐射的增益条件。
当受激辐射的频率增大到0.3THz频段，为了使电子束和器件结构之间充分的相互作用，电子束斑需要缩小到10μm的量级，一般需要强磁场的聚焦。然而电子束斑尺寸缩小，电子之间的库伦排斥增强，此时电流强度难以保证大于受激辐射的电流阈值。以真空电子器件中的返波管为例，返波管通过自由电子和光栅相互作用产生返波模式，利用光栅表面的返波模式调制电子实现群聚，群聚电子进而增大辐射强度，实现受激辐射。但是由于电子束聚焦、电流强度以及电子束和光栅之间的作用距离等条件变得苛刻，随着频率的增大(大于0.3THz)，电子束和光栅之间利用返波调制电子进行受激放大的方案难以实现，即无法在小电流和大束斑的条件下实现受激放大现象。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器。
具体地，本发明实施例提供了以下方案：
本发明实施例提供一种基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，包括：
电子发射源、泵浦源、一级谐振腔结构和一级光栅结构；其中，所述一级光栅结构位于所述一级谐振腔结构内部；
所述电子发射源，位于所述一级谐振腔结构的轴向入口位置，用于发射电子束，所述电子束沿所述一级谐振腔结构的轴向入射至所述一级谐振腔结构中后沿所述一级光栅结构的表面飞行；
所述泵浦源，位于所述一级谐振腔结构的侧壁入口位置，用于发射泵浦信号，所述泵浦信号入射至所述一级谐振腔结构中后在所述一级光栅结构的表面与所述一级光栅结构进行相互作用产生周期性电磁场，所述周期性电磁场使得沿所述一级光栅结构的表面飞行的电子进行初步群聚，得到初步群聚电子；其中，所述泵浦源的频率处于所述一级谐振腔结构的垂直谐振模式；
所述初步群聚电子与所述一级光栅结构进行相互作用产生相干Smith-Purcell辐射；
所述相干Smith-Purcell辐射与所述泵浦信号在所述一级谐振腔结构内垂直谐振，一起对所述一级谐振腔结构内的电子能量进行调制，使得电子群聚密度增大，进而使得所述相干Smith-Purcell辐射增强；
在所述一级谐振腔结构内，自由电子和相干Smith-Purcell辐射之间能量交互形成正反馈过程，得到受激放大的相干Smith-Purcell辐射和周期性群聚电子团。
进一步地，还包括：二级谐振腔结构和二级光栅结构；所述二级谐振腔结构的电子束输入端与所述一级谐振腔结构的电子束输出端连接；所述二级光栅结构位于所述二级谐振腔结构内部，且所述二级光栅结构的周期小于所述一级光栅结构的周期；
所述一级谐振腔结构输出的周期性群聚电子团进入所述二级谐振腔结构后，在所述二级光栅结构的表面与所述二级光栅结构进行相互作用产生预设倍频阶数的高阶倍频相干Smith-Purcell辐射；
其中，所述倍频阶数为所述高阶倍频相干Smith-Purcell辐射相对于所述泵浦源的倍频阶数。
进一步地，电子群聚包括：初步群聚、最佳群聚和过度群聚三种状态；相应地，所述二级谐振腔结构和所述二级光栅结构设置在电子处于最佳群聚状态的位置。
进一步地，二级光栅结构的周期与倍频阶数满足第一关系模型，所述第一关系模型为：
其中，L2表示二级光栅结构的周期，m表示Smith-Purcell辐射的阶次，c表示真空光速，v表示电子速度，θ表示辐射角度，n表示倍频阶数，n为大于或等于1的正整数，fp表示泵浦源的泵浦频率。
进一步地，所述泵浦源为第一太赫兹信号，所述二级谐振腔结构输出第二太赫兹信号，所述第二太赫兹信号的频率高于第一太赫兹信号。
进一步地，所述泵浦源为微波信号，所述二级谐振腔结构输出太赫兹信号。
进一步地，电子速度v，一级光栅结构的周期L1和泵浦源的泵浦频率fp满足第二关系模型，所述第二关系模型为：fp＝v/L1。
进一步地，所述电子束的能量为10～30keV，所述电子束的电流大小为10～50mA，束斑直径为100～120μm。
进一步地，还包括：磁环结构；
所述磁环结构包裹在谐振腔结构外部，用于对电子束进行聚焦。
进一步地，还包括：电子收集器；
所述电子收集器，用于收集所述电子发射源并经过光栅结构和谐振腔结构后的电子束。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，利用泵浦源产生的泵浦信号在一级谐振腔结构中与一级光栅结构进行相互作用产生周期性电磁场，通过周期性电磁场调控电子发射源发射的电子束实现初步群聚，得到初步群聚电子，所述初步群聚电子与一级光栅结构进行相互作用产生相干Smith-Purcell辐射，相干Smith-Purcell辐射可以增强辐射的强度以及相干性；所述相干Smith-Purcell辐射与所述泵浦信号在所述一级谐振腔结构内垂直谐振，一起对所述一级谐振腔结构内的电子能量进行调制，使得电子群聚密度增大，进而使得所述相干Smith-Purcell辐射增强，可以进一步增强辐射的强度以及相干性；在所述一级谐振腔结构内，自由电子和相干Smith-Purcell辐射之间能量交互形成正反馈过程，得到受激放大的相干Smith-Purcell辐射和周期性群聚电子团，从而本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器通过外界泵浦源信号先让自由电子发生初步群聚，初步群聚的电子和光栅相互作用产生相干Smith-Purcell辐射，同时借助谐振腔结构实现受激放大的相干Smith-Purcell辐射信号，获得高密度的周期性群聚电子团。需要说明的是，本发明实施例和返波管受激辐射的区别在于，受激放大相干Smith-Purcell辐射借助于泵浦信号和谐振腔结构实现，故可以减弱对电子发射源的要求，从而使得即便在小电流和大束斑的条件下也能实现高强度的辐射。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器的结构示意图；
图3为本发明又一实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的一级谐振腔结构、一级光栅结构、二级谐振腔结构和二级光栅结构的三维示意图；
图5为本发明一实施例提供的一级谐振腔结构和一级光栅结构形成的色散曲线的结构示意图；
图6为本发明一实施例提供的电子束密度的变化的结构示意图；
图7为本发明一实施例提供的周期群聚电子周围消逝场的频谱的结构示意图；
图8为本发明一实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器输入的泵浦信号和器件输出的高阶倍频相干Smith-Purcell信号的结构示意图；
上面各图中标号的含义分别为：
1表示电子发射源；2表示泵浦源；3表示一级谐振腔结构；4表示一级光栅结构；5表示二级谐振腔结构；6表示二级光栅结构；7表示高阶倍频相干Smith-Purcell辐射信号；8表示磁环结构；9表示电子收集器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。
图1为本发明一实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器的结构示意图；如图1所示，该基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器包括：
电子发射源1、泵浦源2、一级谐振腔结构3和一级光栅结构4；其中，所述一级光栅结构4位于所述一级谐振腔结构3内部；
所述电子发射源1，位于所述一级谐振腔结构3的轴向入口位置，用于发射电子束，所述电子束沿所述一级谐振腔结构的轴向入射至所述一级谐振腔结构3中后沿所述一级光栅结构4的表面飞行；
所述泵浦源2，位于所述一级谐振腔结构3的侧壁入口位置，用于发射泵浦信号，所述泵浦信号入射至所述一级谐振腔结构3中后在所述一级光栅结构4的表面与所述一级光栅结构4进行相互作用产生周期性电磁场，所述周期性电磁场使得沿所述一级光栅结构4的表面飞行的电子进行初步群聚，得到初步群聚电子；其中，所述泵浦源2的频率处于所述一级谐振腔结构3的垂直谐振模式；
所述初步群聚电子与所述一级光栅结构4进行相互作用产生相干Smith-Purcell辐射；
所述相干Smith-Purcell辐射与所述泵浦信号在所述一级谐振腔结构3内垂直谐振，一起对所述一级谐振腔结构3内的电子能量进行调制，使得电子群聚密度增大，进而使得所述相干Smith-Purcell辐射增强；
在所述一级谐振腔结构3内，自由电子和相干Smith-Purcell辐射之间能量交互形成正反馈过程，得到受激放大的相干Smith-Purcell辐射和周期性群聚电子团。
下面对本实施例提供的太赫兹辐射器的工作原理和具体工作流程进行说明。本发明实施例的研究目的是减弱电子受激辐射时对电子束流的要求，即使在小电流和大束斑的条件下也能实现自由电子的受激和相干辐射。本实施例主要包括两部分内容，第一部分内容：利用外界泵浦信号对直流电子束进行初步群聚；第二部分内容：初步群聚的电子在垂直谐振腔内实现受激放大的相干SPR。此外，需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还包括第三部分内容：利用受激放大过程中产生的周期性群聚电子团实现高阶倍频的THz辐射。
在本实施例中，主要针对上面第一部分内容和第二部分内容进行详细说明。后续实施例将会针对第三部分内容进行说明。
关于利用泵浦信号对直流电子束进行初步群聚的第一部分内容，解释如下：通过泵浦信号对直流电子进行初步群聚，涉及的结构包括一级谐振腔结构和一级光栅结构，泵浦源的频率工作于一级谐振腔和光栅结构的群速度为零的点。以0.1THz的泵浦源为例，一级谐振腔和内部一级光栅结构形成的色散曲线见图5所示，通过设计一级光栅和一级谐振腔结构，使得泵浦信号激励起结构内垂直谐振的模式，对应的群速度为零，相速度趋于无穷大。泵浦信号的作用是入射到一级谐振腔内，并和一级光栅相互作用产生周期性局域场，让直流电子进行初步群聚。此时电子速度v，光栅周期L1和泵浦频率fp满足的关系式fp＝v/L1，即电子每经过一个光栅周期，泵浦信号正好振荡一个频率。举例来说，泵浦信号的功率在1mW～1W量级均可适用，电子束的能量为10～30keV，束斑直径为100～120μm，电子束电流可以在10mA～50mA，在泵浦作用下，电子会发生初步群聚。
关于初步群聚的电子在垂直谐振腔内实现受激放大的相干SPR的第二部分的内容，解释如下：初步群聚的电子在一级谐振腔内实现受激放大的相干SPR。自由电子的相干SPR指的是群聚电子和光栅相互作用产生的电磁辐射。本实施例提出了基于谐振腔的受激相干SPR器件，使得初步群聚的电子和谐振腔相干SPR模式相互作用，产生受激放大的相干SPR信号。初步群聚的电子在一级谐振腔内，和一级光栅相互作用，它们的色散交点也位于群速度为零的点，见图5所示，即初步群聚电子产生的相干SPR也是在腔内激励起垂直谐振模式。意味着在一级谐振腔内，除了泵浦源入射的信号，还有相干SPR信号一起在腔内垂直谐振。那么，泵浦信号和初步群聚电子的相干SPR信号会一起对电子能量进一步调制，使得电子群聚密度进一步增大，谐振腔内相干SPR信号进一步增强，形成自由电子和相干SPR信号之间能量交互的正反馈过程，即受激放大的相干SPR。
在本实施例中，以电子发射源的电子能量为22keV为例，泵浦信号仍为0.1THz，为了说明器件的工作流程，设置泵浦信号功率为100mW，图6是电子在飞行过程中电子束密度的变化情况。从图6中分析可以看到原先是直流的电子，在泵浦信号的作用下会发生初步群聚。随着电子的飞行，泵浦信号和相干SPR信号一起调制电子能量，使群聚密度逐渐增大。
在本实施例中，所述电子发射源1位于所述一级谐振腔结构3的轴向入口位置，参见图1。所述电子发射源1用于发射电子束，例如发射直流电子，例如电子束的能量为10～30keV，电子束的电流大小为10～50mA，束斑直径为100～120μm。
在本实施例中，所述泵浦源2位于所述一级谐振腔结构3的侧壁入口位置，参见图1。所述泵浦源2用于发射泵浦信号，所述泵浦信号入射至所述一级谐振腔结构3中与所述一级光栅结构4进行相互作用产生周期性电磁场，通过周期性电磁场使直流电子进行初步群聚，可见本发明实施例借助泵浦源2发射的泵浦信号可以使自由电子发生初步群聚。
在本实施例中，所述泵浦源2的频率处于所述一级谐振腔结构3的垂直谐振模式，用于对直流电子进行初步群聚。
在本实施例中，所述初步群聚电子与所述一级光栅结构4进行相互作用产生相干Smith-Purcell辐射。
在本实施例中，首先解释一下什么是Smith-Purcell辐射(Smith-Purcellradiation，SPR)，SPR是指飞行的自由电子与光栅相互作用产生的电磁辐射，而相干Smith-Purcell辐射是初步群聚电子与光栅结构进行相互作用产生相干Smith-Purcell辐射。当电子束贴近金属光栅表面飞过时，将激励起电磁波辐射，这种效应称之为Smith-Purcell辐射效应，Smith-Purcell辐射效应的自发辐射一般很弱，为解决该问题，本实施例同时借助外界泵浦信号、谐振腔结构和光栅结构，使得在谐振腔结构内先形成电子初步群聚，然后再根据处于初步群聚状态的电子与光栅结构的相互作用形成相干Smith-Purcell辐射，同时由于相干Smith-Purcell辐射与自由电子能够在谐振腔结构内形成能量交互的正反馈，因此可以进一步地增强相干Smith-Purcell辐射，进而可以得到受激放大的相干Smith-Purcell辐射，由此可见，由于本实施例得到的受激放大相干Smith-Purcell辐射借助于泵浦信号和谐振腔结构实现，故可以减弱对电子发射源的要求，从而使得即便在小电流和大束斑的条件下也能实现高强度的辐射。
在本实施例中，参见图5，举例来说，产生的相干Smith-Purcell辐射会在一级谐振腔结构3内激励起垂直谐振模式，这意味着在一级谐振腔内，除了泵浦源2入射的泵浦信号，还有相干Smith-Purcell辐射信号一起在一级谐振腔结构3内垂直谐振。那么，泵浦信号和相干Smith-Purcell辐射信号会一起对电子能量进一步调制，使得电子群聚密度进一步增大，进而使得一级谐振腔结构3内相干Smith-Purcell辐射信号进一步增强。
在本实施例中，当一级谐振腔结构3内相干Smith-Purcell辐射信号进一步增强时，自由电子和相干Smith-Purcell辐射之间能量交互形成正反馈过程，得到受激放大的相干Smith-Purcell辐射，即受激放大的相干SPR，同时受激放大过程中，直流电子束会形成周期性的群聚电子团，周期群聚电子周围具有丰富的倍频分量。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，利用泵浦源2产生的泵浦信号在一级谐振腔结构3中与一级光栅结构4进行相互作用产生周期性电磁场，通过周期性电磁场调控电子发射源1发射的电子束实现初步群聚，得到初步群聚电子，所述初步群聚电子与一级光栅结构4进行相互作用产生相干Smith-Purcell辐射，相干Smith-Purcell辐射可以增强辐射的强度以及相干性；所述相干Smith-Purcell辐射与所述泵浦信号在所述一级谐振腔结构3内垂直谐振，一起对所述一级谐振腔结构3内的电子能量进行调制，使得电子群聚密度增大，进而使得所述相干Smith-Purcell辐射增强，可以进一步增强辐射的强度以及相干性；在所述一级谐振腔结构3内，自由电子和相干Smith-Purcell辐射之间能量交互形成正反馈过程，得到受激放大的相干Smith-Purcell辐射和周期性群聚电子团，本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器通过外界泵浦源信号先让自由电子发生初步群聚，初步群聚的电子和光栅相互作用产生相干Smith-Purcell辐射，同时借助谐振腔结构实现受激放大的相干Smith-Purcell辐射信号，获得高密度的周期性群聚电子团。需要说明的是，本实施例和返波管受激辐射的区别在于，受激相干Smith-Purcell辐射借助于泵浦信号和谐振放大结构，可以减弱对电子发射源的要求，即使在小电流和大束斑的条件下也能实现高强度的辐射。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，参见图2，还包括：二级谐振腔结构5和二级光栅结构6；所述二级谐振腔结构5的电子束输入端与所述一级谐振腔结构3的电子束输出端连接；所述二级光栅结构6位于所述二级谐振腔结构5内部，且所述二级光栅结构6的周期小于所述一级光栅结构4的周期；
所述一级谐振腔结构3输出的周期性群聚电子团进入所述二级谐振腔结构5后，在所述二级光栅结构6的表面与所述二级光栅结构6进行相互作用产生预设倍频阶数的高阶倍频相干Smith-Purcell辐射；举例来说，这里的预设倍频阶数可以为2、3、4等。
其中，所述倍频阶数为所述高阶倍频相干Smith-Purcell辐射相对于所述泵浦源2的倍频阶数。
在本实施例中，重点介绍本发明的第三部分内容，也即利用受激放大过程中产生的周期性群聚电子团实现高阶倍频的THz辐射。
在本实施例中，可以理解成如何基于相干SPR实现高阶倍频THz辐射。本实施例利用第二部分内容产生的周期性群聚电子团和另一组小周期光栅(也即二级光栅结构)相互作用产生高阶倍频的相干SPR信号。由于群聚电子周围消逝场具有丰富的倍频信息，仍以泵浦信号0.1THz，电子能量为22keV为例，泵浦信号的功率为100mW。当电子发生最佳群聚的时候，探测得到电子周围消逝场的频谱见图7所示。通过受激放大的相干SPR，电子周围消逝场在7倍频时仍有明显的倍频信号，这也有利于后续高阶倍频信号的提取，产生高阶倍频的相干SPR辐射。
为了提取周期群聚电子周围的消逝场，这时候需要设置另外一组谐振腔和光栅结构，即器件结构中的二级谐振腔结构和二级光栅结构，为了获得高强度的高阶倍频的相干SPR信号输出，最好将二级谐振腔结构和二级光栅结构设置在电子最佳群聚的位置。
这是因为：电子群聚包括：初步群聚、最佳群聚和过度群聚三种状态，过了最佳群聚的位置，将会发生过度群聚，具体原理为：以电子发射源的电子能量为22keV为例，泵浦信号仍为0.1THz，为了说明器件的工作流程，设置泵浦信号功率为100mW，图6是电子在飞行过程中电子束密度的变化情况。从图6中分析可以看到原先是直流的电子，在外界泵浦信号的作用下会发生初步群聚。随着电子的飞行，泵浦信号和相干SPR信号一起调制电子能量，使群聚密度逐渐增大。然而随着飞行距离的进一步加大，群聚密度再次减小。这里需要注意的是电子群聚的原因是，泵浦信号和相干SPR信号在光栅表面形成周期性电磁场，周期性电磁场使得部分电子加速，部分电子减速，后向加速的电子和前向减速的电子会在空间中形成群聚。然而当后向加速电子赶上前向减速电子以后，电子发生了过度群聚，这也是图6中电子群聚密度先增大后减小的原因。
在本实施例中，利用二级光栅和周期群聚电子相互作用产生相干Smith-Purcell辐射，值得注意的是二级光栅的周期L2要小于一级光栅周期L1。二级光栅处的Smith-Purcell辐射公式为：
λ表示辐射波长，L2表示二级光栅结构的周期，m表示Smith-Purcell辐射的阶次，c表示真空光速，v表示电子速度，θ表示辐射角度，当m＝1时，SPR的辐射强度最强，后面的讨论中都是针对m＝1的情况。通过二级光栅和二级谐振腔的设置，产生的高阶倍频相干SPR信号也是处于腔内的垂直谐振模式，对应的辐射角度θ为90°。其中高阶倍频的相干SPR波长λ对应的频率由群聚电子的频率决定，即泵浦信号的频率fp的整数倍，满足关系式如下：
上式中n为大于等于1的正整数，即相干倍频辐射相对于泵浦源的倍频阶数。联立上述两个公式可以看到，通过缩小二级光栅的周期L2，可以提取更高阶倍频n的相干SPR。
以n＝3时的三阶倍频相干SPR为例，泵浦源信号频率为0.1THz，入射功率为100mW，输出的高阶倍频的相干SPR信号为0.3THz，泵浦源和高阶倍频相干SPR信号的频谱图见图8所示。由于第一级谐振腔结构中自由电子的受激相干SPR使电子发生了受激群聚，高阶倍频的SPR信号强度甚至可以大于泵浦源信号的强度，同时，周期群聚电子产生的高阶倍频信号具有极强的相干性。
参见图8，图8器件输入的泵浦信号和器件输出的高阶倍频相干SPR信号，值得注意的是，上述描绘的器件工作过程是以0.1THz的泵浦源、22keV的电子发射源以及三倍频的0.3THz相干SPR为例。如果更改泵浦源的入射频率为微波信号或其它THz频段信号，通过调整一级光栅结构和一级谐振腔结构的尺寸，使泵浦源频率处于垂直谐振的模式。再调控电子发射源的电子能量，使电子速度v，一级光栅周期L1和泵浦源频率fp满足的关系式fp＝v/L1，同样可以在一级谐振腔内实现微波或是其它THz频率的受激放大的相干SPR信号。同时借助二级光栅实现其它高阶倍频信号的产生，可以将微波信号倍频到THz波段，或者将THz信号倍频到更高频率的THz信号。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，电子群聚包括：初步群聚、最佳群聚和过度群聚三种状态；相应地，所述二级谐振腔结构5和所述二级光栅结构6设置在电子处于最佳群聚状态的位置。
群聚电子周围消逝场具有丰富的倍频信息，仍以泵浦信号0.1THz，电子能量为22keV为例，泵浦信号的功率为100mW。当电子发生最佳群聚的时候，探测得到电子周围消逝场的频谱见图7所示，图7是本发明实施例提供的周期群聚电子周围消逝场的频谱的结构示意图。通过受激放大的相干SPR，电子周围消逝场在7倍频时仍有明显的倍频信号，有利于后续高阶倍频信号的提取，产生高阶倍频的相干SPR辐射。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，将二级谐振腔结构5和所述二级光栅结构6设置在电子处于最佳群聚状态的位置，有利于产生高阶倍频的相干Smith-Purcell辐射信号7。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，二级光栅结构6的周期与倍频阶数满足第一关系模型，所述第一关系模型为：
其中，L2表示二级光栅结构的周期，m表示Smith-Purcell辐射的阶次，c表示真空光速，v表示电子速度，θ表示辐射角度，n表示倍频阶数，n为大于或等于1的正整数，fp表示泵浦源的泵浦频率。
在本实施例中，通过上述第一关系模型从而实现电子每经过一个二级光栅结构的周期，泵浦信号正好振荡一个频率
由第一关系模型可以看出，高阶倍频相干Smith-Purcell辐射信号7由群聚电子的频率决定，上式中n为大于或等于1的正整数，即相干倍频辐射相对于泵浦源的倍频阶数；通过缩小二级光栅的周期L2，有利于提取更高阶倍频n的相干Smith-Purcell辐射信号。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述泵浦源2为第一太赫兹信号，所述二级谐振腔结构5输出第二太赫兹信号，所述第二太赫兹信号的频率高于第一太赫兹信号。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，二级谐振腔结构5输出的第二太赫兹信号的频率高于第一太赫兹信号，第二太赫兹信号具有极强的辐射的强度以及相干性。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述泵浦源2为第一太赫兹信号，或者所述泵浦源2为微波信号，所述二级谐振腔结构5输出太赫兹信号。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，可以实现微波信号到太赫兹信号，以及太赫兹信号到高倍频太赫兹信号的转换，相比于直流电子和光栅之间的Smith-Purcell辐射，相干Smith-Purcell可以增强辐射的强度以及相干性。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述泵浦源2为第一太赫兹信号，电子速度v，一级光栅结构4的周期L1和泵浦源的泵浦频率fp满足第二关系模型，所述第二关系模型为：fp＝v/L1。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，所述电子束的能量为10～30keV，所述电子束的电流大小为10～50mA，束斑直径为100～120μm。
本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，当所述电子束的能量为10～30keV，所述电子束的电流大小为10～50mA，束斑直径为100～120μm时，产生的高阶倍频相干Smith-Purcell辐射信号7具有极强的辐射强度和相干性。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，还包括：磁环结构8；
所述磁环结构8包裹在谐振腔结构外部，用于对电子束进行聚焦。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，通过磁环结构8对电子束进行聚焦，有利于电子束进行初步群聚，以及后续在二级谐振腔结构5中与所述二级光栅结构6进行相互作用产生预设倍频阶数的高阶倍频相干Smith-Purcell辐射，减少电子分散及电子流失。
在上述实施例的基础上，在本实施例中，还包括：电子收集器9；
所述电子收集器9，用于收集所述电子发射源1并经过光栅结构和谐振腔结构后的电子束。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，通过电子收集器9收集所述电子发射源1并经过光栅结构和谐振腔结构后的电子束。
为了更好的理解本发明实施例，下面结合图3-8进一步阐述发明实施例的内容，但本发明不仅仅局限于本发明实施例。
太赫兹(Terahertz，THz，1THz＝1012Hz)波，是指频率在0.1THz-10THz频段的电磁波。太赫兹波具有强穿透性，可用于安全检测领域。除此之外太赫兹波光子能量低，相干性好，在无损质量检测，生物活体成像以及空间光通讯等领域也有着巨大的应用价值，太赫兹技术也被认为是未来最重要的技术之一。
Smith-Purcell辐射(Smith-Purcell radiation，SPR)是指飞行的自由电子与光栅相互作用产生的电磁辐射，其辐射波长的表达式为
其中辐射波长λ和光栅周期L，电子速度v，以及电磁辐射角度θ相关，m为SPR的阶次，通过电子枪和光栅周期的设计可以实现特定波长的电磁波输出。受激SPR是指自由电子产生的SPR和电子束之间相互作用，并实现能量交互的正反馈过程。如果实现太赫兹频段的受激SPR，则可以实现小型化的高强度的THz辐射源。同时受激SPR过程中，直流电子束会形成周期性的群聚电子团，周期群聚电子周围具有丰富的倍频分量，通过二级光栅结构可以进一步提取高阶倍频的THz辐射。
如图3所示，本实施例提出的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器的结构示意图可以有效规避电子受激放大所需要满足的电流阈值条件，通过受激放大的相干SPR，可以实现高密度的电子群聚和高强度的倍频THz信号。器件结构主要包括下面几个部分，下面对各个部分的结构参数以及功能进行举例介绍如下：
电子发射源1，电子发射源1可以发射电子束，例如电子束的能量为10～30keV，电子束的电流大小为10～50mA，束斑直径为100～120μm；
泵浦源2，泵浦源2产生的泵浦信号入射到一级谐振腔结构3中，并在一级光栅结构4表面激励起周期性电磁场，泵浦源2的频率fp可以是微波信号或是THz信号，泵浦源2的频率fp处于一级谐振腔结构3的垂直谐振模式，用于对直流电子进行初步群聚；
一级谐振腔结构3，通过设置一级谐振腔结构3的高度和宽度等参数可以调整一级谐振腔内的谐振模式，使得泵浦源2和相干SPR信号在一级谐振腔内垂直谐振；
一级光栅结构4，通过设置一级光栅结构4的周期、高度、宽度等参数可以调整一级谐振腔内的谐振模式，一级光栅结构4的周期L1，电子速度v以及泵浦源2的频率fp满足关系fp＝v/L1，初步群聚电子和一级光栅结构4相互作用产生相干SPR，泵浦源2和相干SPR信号在一级光栅表面形成周期性电磁场可以用来调制电子能量实现电子群聚；
二级谐振腔结构5，通过设置二级谐振腔结构5的高度和宽度等参数可以调整二级谐振腔内的谐振模式，使得高阶倍频的相干SPR信号在二级谐振腔内垂直谐振；
二级光栅结构6，通过设置二级光栅结构6的周期、高度、宽度等参数可以调整二级谐振腔内的谐振模式，二级光栅结构6的周期L2小于一级光栅结构4的周期L1，周期性群聚电子和二级光栅结构6相互作用可以产生高阶倍频相干Smith-Purcell辐射信号7；
高阶倍频相干Smith-Purcell辐射信号7，输出的高阶倍频相干Smith-Purcell辐射信号7是泵浦源2的高阶倍频信号，二级光栅结构6的光栅周期越小，则产生的高阶倍频相干SPR信号的倍频阶次越高。
磁环结构8，磁环结构8用于对电子束的聚焦，例如磁环结构8包裹在器件结构的外部，减小电子飞行过程中发生的扩散，磁场的强度约为0.3T；
电子收集器9，电子收集器9用于收集电子发射源1发射并经过一级谐振腔结构、二级谐振腔结构、一级光栅结构和二级光栅结构后的电子束。
参见图4所示一级谐振腔结构、一级光栅结构、二级谐振腔结构和二级光栅结构的三维示意图。一级谐振腔、一级光栅、二级谐振腔和二级光栅是在金属圆柱体内部加工制备的，金属圆柱体的外直径为3mm，金属圆柱体的材料常见的如铜、金、银等。若器件工作于0.1～10THz的频段，一级光栅和二级光栅的周期处于5μm～1mm的范围，具体周期大小需要与电子速度v以及泵浦源频率fp满足关系fp＝v/L1。
针对本发明实施例的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器的器件结构，下面对器件的工作原理和具体工作流程进行阐述。本发明实施例的研究目的之一是减弱电子受激辐射时对电子束流的要求，即使在小电流和大束斑的条件下也能实现自由电子的受激和相干辐射。
本发明实施例的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器的器件结构的工作原理和具体工作流程主要分成三个部分，一部分是利用外界泵浦信号对直流电子束进行初步群聚；第二部分是初步群聚的电子在垂直谐振腔内实现受激放大的相干SPR；第三部分是利用受激放大过程中产生的周期性群聚电子团实现高阶倍频的THz辐射。
举例来说，本发明实施例中所使用的电子发射源1的参数为：电子能量10～30keV，电子束斑直径约为100～120μm，电流强度10～50mA。通过更改泵浦源频率和光栅周期，器件辐射的工作频率可以在0.1THz，甚至大于1THz。下面会对器件工作的三部分内容进行具体阐述。
A、外界泵浦信号对直流电子的初步群聚
器件工作的第一部分的内容是，通过外界泵浦信号对直流电子进行初步群聚，涉及的结构包括一级谐振腔结构和一级光栅结构，外界泵浦源的频率工作于一级谐振腔和一级光栅结构的群速度为零的点。以0.1THz的泵浦源为例，一级谐振腔结构和一级光栅结构形成的色散曲线的结构示意图，参见图5所示，通过设计一级光栅和一级谐振腔结构，使得外界泵浦信号激励起结构内垂直谐振的模式，对应的群速度为零，相速度趋于无穷大。外界泵浦信号的作用是入射到一级谐振腔内，并和一级光栅相互作用产生周期性局域场，让直流电子进行初步群聚。此时电子速度v，光栅周期L1和泵浦频率fp满足关系fp＝v/L1，即电子每经过一个光栅周期，泵浦信号正好振荡一个频率。外界泵浦信号的功率在1mW～1W量级均可适用，电子束的能量为10～30keV，束斑直径为100～120μm，电子束电流可以在10mA～50mA，在外界泵浦作用下，电子会发生初步群聚。
参见图5，一级谐振腔和一级光栅结构的色散曲线，泵浦源工作于群速度为零的点，此时泵浦信号工作于垂直谐振的模式，相速度趋于无穷大；电子色散和结构色散的交点的群速度为零，即初步群聚的电子可以激励起垂直谐振的相干辐射模式
B、谐振腔内受激放大的相干SPR
器件工作的第二部分的内容是，初步群聚的电子在一级谐振腔内实现受激放大的相干SPR。自由电子的相干SPR指的是群聚电子和光栅相互作用产生的电磁辐射。本发明实施例提出了基于谐振腔的受激相干SPR器件，使得初步群聚的电子和谐振腔相干SPR模式相互作用，产生受激放大的相干SPR信号。初步群聚的电子在一级谐振腔内，和一级光栅相互作用，它们的色散交点也位于群速度为零的点，参见图5所示，即初步群聚电子产生的相干SPR也是在腔内激励起垂直谐振模式。意味着在一级谐振腔内，除了泵浦源入射的信号，还有相干SPR信号一起在腔内垂直谐振。那么，泵浦信号和初步群聚电子的相干SPR信号会一起对电子能量进一步调制，使得电子群聚密度进一步增大，谐振腔内相干SPR信号进一步增强，形成自由电子和相干SPR信号之间能量交互的正反馈过程，即受激放大的相干SPR。
图6提供电子束密度的变化的结构示意图，参见图6，电子在飞行过程，电子束密度的变化情况，电子由初步群聚到最佳群聚，最后过度群聚，群聚密度先增大后减小。
以电子发射源的电子能量为22keV为例，泵浦信号仍为0.1THz，为了说明器件的工作流程，设置泵浦信号功率为100mW，图6是电子在飞行过程中电子束密度的变化情况。从图6中分析可以看到原先是直流的电子，在外界泵浦信号的作用下会发生初步群聚。随着电子的飞行，泵浦信号和相干SPR信号一起调制电子能量，使群聚密度逐渐增大。然而随着飞行距离的进一步加大，群聚密度再次减小。这里需要注意的是电子群聚的原因是，泵浦信号和相干SPR信号在光栅表面形成周期性电磁场，周期性电磁场使得部分电子加速，部分电子减速，后向加速的电子和前向减速的电子会在空间中形成群聚。然而当后向加速电子赶上前向减速电子以后，电子发生了过度群聚，这也是图6中电子群聚密度先增大后减小的原因。
C、基于相干SPR的高阶倍频THz辐射
器件工作的第三部分的内容是利用第二部分内容产生的周期性群聚电子团和另一组小周期光栅(也即二级光栅结构)相互作用产生高阶倍频的相干SPR信号。群聚电子周围消逝场具有丰富的倍频信息，仍以泵浦信号0.1THz，电子能量为22keV为例，泵浦信号的功率为100mW。当电子发生最佳群聚的时候，探测得到电子周围消逝场的频谱见图7所示，图7是本发明实施例提供的周期群聚电子周围消逝场的频谱的结构示意图。通过受激放大的相干SPR，电子周围消逝场在7倍频时仍有明显的倍频信号，这也有利于后续高阶倍频信号的提取，产生高阶倍频的相干SPR辐射。
为了提取周期群聚电子周围的消逝场，这时候需要设置另外一组谐振腔和光栅结构，即器件结构中的二级谐振腔结构和二级光栅结构，为了获得高强度的高阶倍频的相干SPR信号输出，最好将二级谐振腔结构和二级光栅结构设置在电子最佳群聚的位置。
利用二级光栅和周期群聚电子相互作用产生相干Smith-Purcell辐射，值得注意的是二级光栅的周期L2要小于一级光栅周期L1。二级光栅处的Smith-Purcell辐射公式为：
其中L2为二级光栅周期，v为电子速度，c为真空光速。m为SPR的阶次，当m＝1时，SPR的辐射强度最强，后面的讨论中都是针对m＝1的情况。通过二级光栅和二级谐振腔的设置，产生的高阶倍频相干SPR信号也是处于腔内的垂直谐振模式，对应的辐射角度θ为90°。其中高阶倍频的相干SPR波长λ对应的频率由群聚电子的频率决定，即泵浦信号的频率fp的整数倍，满足关系式如下：
上式中n为大于等于1的正整数，即相干倍频辐射相对于泵浦源的倍频阶数。联立上述两个公式可以看到，通过缩小二级光栅的周期L2，可以提取更高阶倍频n的相干SPR。
以n＝3时的三阶倍频相干SPR为例，泵浦源信号频率为0.1THz，入射功率为100mW，输出的高阶倍频的相干SPR信号为0.3THz，泵浦源和高阶倍频相干SPR信号的频谱图见图8所示，图8为本发明实施例提供的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器输入的泵浦信号和器件输出的高阶倍频相干Smith-Purcell信号的结构示意图。由于第一级谐振腔结构中自由电子的受激相干SPR使电子发生了受激群聚，高阶倍频的SPR信号强度甚至可以大于泵浦源信号的强度，同时，周期群聚电子产生的高阶倍频信号具有极强的相干性。
值得注意的是，上述描绘的器件工作过程是以0.1THz的泵浦源、22keV的电子发射源以及三倍频的0.3THz相干SPR为例。如果更改泵浦源的入射频率为微波信号或其它THz频段信号，通过调整一级光栅结构和一级谐振腔结构的尺寸，使泵浦源频率处于垂直谐振的模式。再调控电子发射源的电子能量，使电子速度v，一级光栅周期L1和泵浦源频率fp满足关系fp＝v/L1，同样可以在一级谐振腔内实现微波或是其它THz频率的受激放大的相干SPR信号。同时借助二级光栅实现其它高阶倍频信号的产生，可以将微波信号倍频到THz波段，或者将THz信号倍频到更高频率的THz信号。
综上所述，本发明实施例至少具有如下优势：
1、本发明实施例利用泵浦源信号和周期光栅相互作用产生周期性电磁场，通过周期性电磁场调控电子束实现初步群聚，初步群聚电子再通过相干辐射实现受激放大，即使在小电流和大束斑的条件下也能实现受激放大现象，可以有效减弱传统器件中实现受激放大对电子发射源的要求。
2、本发明实施例引入谐振腔结构，通过受激放大的相干Smith-Purcell辐射，只需要微弱的泵浦源信号，就可以实现了自由电子和相干辐射之间的正反馈，获得高密度的自由电子周期群聚，极大的增加电子周围消逝场的高阶倍频信息和相干性。
3、本发明实施例利用群聚后的电子和周期光栅相互作用产生高阶倍频的相干Smith-Purcell辐射，可以用于实现微波信号到THz信号，以及THz信号到高倍频THz信号的转换，相比于直流电子和光栅之间的Smith-Purcell辐射，相干Smith-Purcell可以增强辐射的强度以及相干性。
此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，包括：电子发射源、泵浦源、一级谐振腔结构和一级光栅结构；其中，所述一级光栅结构位于所述一级谐振腔结构内部；
所述电子发射源，位于所述一级谐振腔结构的轴向入口位置，用于发射电子束，所述电子束沿所述一级谐振腔结构的轴向入射至所述一级谐振腔结构中后沿所述一级光栅结构的表面飞行；
所述泵浦源，位于所述一级谐振腔结构的侧壁入口位置，用于发射泵浦信号，所述泵浦信号入射至所述一级谐振腔结构中后在所述一级光栅结构的表面与所述一级光栅结构进行相互作用产生周期性电磁场，所述周期性电磁场使得沿所述一级光栅结构的表面飞行的电子进行初步群聚，得到初步群聚电子；其中，所述泵浦源的频率处于所述一级谐振腔结构的垂直谐振模式；
所述初步群聚电子与所述一级光栅结构进行相互作用产生相干Smith-Purcell辐射；
所述相干Smith-Purcell辐射与所述泵浦信号在所述一级谐振腔结构内垂直谐振，一起对所述一级谐振腔结构内的电子能量进行调制，使得电子群聚密度增大，进而使得所述相干Smith-Purcell辐射增强；
在所述一级谐振腔结构内，自由电子和相干Smith-Purcell辐射之间能量交互形成正反馈过程，得到受激放大的相干Smith-Purcell辐射和周期性群聚电子团。
2.根据权利要求1所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，还包括：二级谐振腔结构和二级光栅结构；所述二级谐振腔结构的电子束输入端与所述一级谐振腔结构的电子束输出端连接；所述二级光栅结构位于所述二级谐振腔结构内部，且所述二级光栅结构的周期小于所述一级光栅结构的周期；
所述一级谐振腔结构输出的周期性群聚电子团进入所述二级谐振腔结构后，在所述二级光栅结构的表面与所述二级光栅结构进行相互作用产生预设倍频阶数的高阶倍频相干Smith-Purcell辐射；
其中，所述倍频阶数为所述高阶倍频相干Smith-Purcell辐射相对于所述泵浦源的倍频阶数。
3.根据权利要求2所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，电子群聚包括：初步群聚、最佳群聚和过度群聚三种状态；相应地，所述二级谐振腔结构和所述二级光栅结构设置在电子处于最佳群聚状态的位置。
4.根据权利要求2所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，二级光栅结构的周期与倍频阶数满足第一关系模型，所述第一关系模型为：
其中，L2表示二级光栅结构的周期，m表示Smith-Purcell辐射的阶次，c表示真空光速，v表示电子速度，θ表示辐射角度，n表示倍频阶数，n为大于或等于1的正整数，fp表示泵浦源的泵浦频率。
5.根据权利要求2所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，所述泵浦源为第一太赫兹信号，所述二级谐振腔结构输出第二太赫兹信号，所述第二太赫兹信号的频率高于第一太赫兹信号。
6.根据权利要求2所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，所述泵浦源为微波信号，所述二级谐振腔结构输出太赫兹信号。
7.根据权利要求1所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，电子速度v，一级光栅结构的周期L1和泵浦源的泵浦频率fp满足第二关系模型，所述第二关系模型为：fp＝v/L1。
8.根据权利要求1所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，所述电子束的能量为10～30keV，所述电子束的电流大小为10～50mA，束斑直径为100～120μm。
9.根据权利要求1所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，还包括：磁环结构；
所述磁环结构包裹在谐振腔结构外部，用于对电子束进行聚焦。
10.根据权利要求1所述的基于受激放大相干Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射器，其特征在于，还包括：电子收集器；
所述电子收集器，用于收集所述电子发射源并经过光栅结构和谐振腔结构后的电子束。
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