基于特异Smith-Purcell辐射的太赫兹源的理论研究

发布时间：2020-10-24 01:08

　　 太赫兹电磁波因其独特的物理性质在生物医学、材料科学、安全检查、通信等领域拥有广阔的应用前景,缺乏紧凑型、高效率、大功率的太赫兹辐射源是制约太赫兹波实际应用的主要障碍之一。本文针对这一关键科学技术问题提出并研究了一系列基于特异Smith-Purcell辐射的太赫兹源方案,对其工作机制和包含的物理问题进行了详细探讨,具体包括:1)研究了基于两段光栅、利用连续电子注自群聚的高次谐波产生相干辐射的太赫兹辐射模型。它包括两种模型:第一种模型是一段工作在常规Smith-Purcell辐射模式的光栅的后面增加一段工作在特异Smith-Purcell辐射模式的光栅而形成的级联结构。利用第一段光栅对电子束进行预群聚,然后用第二段光栅产生高次谐波的相干太赫兹Smith-Purcell辐射。第二种模型中两段光栅均工作在常规Smith-Purcell辐射模式。该模型通过对电子注的多次群聚来产生多色相干太赫兹Smith-Purcell辐射。2)研究了利用光阴极电子枪产生的周期性脉冲电子束团与光栅表面波相互作用,电子束团内部电荷进一步微群聚,进而在两次群聚的谐波叠加分量上产生多色相干太赫兹辐射的模型。通过在一定范围内调节激光脉冲重复频率,实现辐射频率的宽谱可调。3)为了实现辐射方向在三维空间的可控,研究了利用片状电子注激励二维亚波长矩形孔阵列产生特异Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射模型。通过改变相关结构和物理参数,该模型可以产生多色、多辐射方向且辐射方向可调的相干太赫兹辐射。以上研究为发展新型小型化、大功率、可调谐太赫兹源提供了新的思路,为实际器件的发展提供了理论支持。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441
【部分图文】：

?（ＳＷＳ）??ｏｕｔｐｕｔ??图１．３返波管原理示意图??返波管（ＢＷＯ）是目前实际应用在低频段的主要太赫兹辐射源。典型的返波??管结构如图１．３所示［２８］，电子注从周期性的慢波结构表面掠过，并与其在慢波结??３??

０００??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?（ＴＨｚ）??图１．２不闻太赫兹源辐射功率与辐射频率的关系??注：ＩＭＰＡＴＴ：碰揸雪崩渡越时间二极管；ＲＴＤ：共振隧穿二极管；Ｇｕｎｎ：耿氏二??极管或转移电子器件；ＴＵＮＮＥＴＴ：隧穿注入渡越时间二极管；ＭＭＩＣ：单片微波??集成电路；ＵＴＣ－ＰＤ：单行载流子光电二极管；ＤＦＧ：差频；ＱＣＬ：量子级联激光??器；ｐ－Ｇｅ?ｌａｓｅｒ：?ｐ型掺杂锗基激光器??Ｔ）和较低的温度（２０?Ｋ）下，由于晶体过热的限制，其重复频率也限制在１?ｋＨｚ??左右＠］。??（５）基于自由电子辐射的太赫兹源??基于自由电子的辐射源是目前主要的太赫兹辐射源之一，主要包括回旋管??（Ｇｙｒｏｔｒｏｎ）［２１－２２］、扩展相互作用管（ｅｘｔｅｎｄｅｄ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｋｌｙｓｔｒｏｎ，?ＥＩＫ）［２３－２４】、返波管??（ｂａｃｋｗａｒｄ?ｗａｖｅ?ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，?ＢＷＯ）【２５］、自由电子激光（ｆｒｅｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｌａｓｅｒ，ＦＥＬ）［２６＊２７】??等，它们可以产生较高功率的太赫兹辐射。??－Ｕ＋?午??ｃａｔｈｏｄｅ?Ｉ?Ｌ????ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ??ａｎｏａｅ?Ｓｌｏｗ－ｗａｖｅ??Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??ｐｏｗｅｒ?（ＳＷＳ）??ｏｕｔｐｕｔ??图１．３返波管原理示意图??返波管（ＢＷＯ）是目前实际应用在低频段的主要太赫兹辐射源。典型的返波??管结构如图１．３所示［２８］，电子注从周期性的慢波结构表面掠过，并与其在慢波结??３??

图１．４?Ｓｍｉｔｈ－Ｐｕｒｃｅｌｌ辖射模型示意图??当一个带电粒子沿垂直于光栅沟槽方向平行于光栅表面掠过时，会在光栅??上方激发出所谓的ＳＰＲ，如图１．４所示［４２］。各个方向的ＳＰＲ频率不同，其辐射波??长、带电粒子速度（能量）、光栅周期和辐射方向的关系遵从如下的简单关系式：??又＝河（豆?＿?ｃ〇ｓＳ），?（１．１）??其中，Ａ表示辐射波长，Ｌ表示光栅周期长度，ｎ代表辐射的谐波次数，０表示??辐射波矢Ｒ与ｚ轴的夹角，０?＝?ｕｅ／ｃ代表电子速度％和光速ｃ的比值。若图中??运动电荷电荷密度是沿ｙ方向均匀分布的无限长的线电荷，且光栅在ｙ方向尺??寸无限大，则图１．４所示模型可以简化为ｘ－ｚ平面里的二维模型（见图２．１）。由于??是Ｓｍｉｔｈ和Ｐｕｒｃｅｌ丨于１９５３年首次通过实验观测到ＳＰＲ现象［４３］，所以这一辐射??现象因此得名Ｓｍｉｔｈ－Ｐｕｒｃｅｌｌ辐射。??ＳＰＲ可以简单理解为运动电子产生的入射场投射到光栅的周期性表面结构??时产生的衍射效应［？，并且产生自不同周期的某一特定频率的衍射辐射在空间??中特定方向上产生相干
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本文编号：2853807