專利名稱：一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面等離子體電子學(xué)，光電子學(xué)領(lǐng)域，涉及一種基于自由電子激勵(lì)金屬表面等離子體波并轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射，工作在可見光及紫外頻段的可調(diào)諧電磁波輻射源。
背景技術(shù)：
發(fā)展實(shí)用，可調(diào)諧，小型化的太赫茲、可見光以及紫外線的相干電磁輻射源對(duì)現(xiàn)代科技的理論創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步具有重要意義，是當(dāng)代世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。從原理上講， 現(xiàn)有的太赫茲、可見光及紫外光源主要可以分為兩類基于光子學(xué)的氣體激光器和半導(dǎo)體激光器，以及基于電子學(xué)的電子回旋脈塞和自由電子激光器。然而，它們均存在其原理或?qū)嶋H應(yīng)用的局限性。其中，氣體激光器產(chǎn)生的輻射不具有連續(xù)可調(diào)性，半導(dǎo)體激光器能夠產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的電磁輻射，但是輻射功率低，不能滿足某些特殊情況下科學(xué)研究的需求?；匦娮用}塞脈塞能夠在毫米波，低太赫茲頻段得到千瓦級(jí)的功率輸出，但是要實(shí)現(xiàn)更高頻率的電磁波輸出同樣存在原理上的限制(需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有水平的極強(qiáng)磁場(chǎng))。自由電子激光能夠產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)、大功率、覆蓋從微波到χ射線頻段的電磁輻射。但是傳統(tǒng)的自由電子激光器體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，因此未能得到廣泛使用?；谇袀惪品蜉椛涞淖杂呻娮蛹す馄鹘Y(jié)構(gòu)簡單，近年來得到各國科學(xué)家的廣泛重視，但是其通常工作頻率都是在太赫茲頻段以下，且需要兆伏甚至吉伏級(jí)的電子注工作電壓，難以實(shí)現(xiàn)器件的小型化和集成。理論與實(shí)驗(yàn)研究表明運(yùn)動(dòng)電子能在金屬表面激勵(lì)起表面等離子體波，特別當(dāng)金屬厚度比較薄時(shí)(小于金屬中的趨膚深度八)，金屬薄層的兩側(cè)都有表面等離子體波的存在。 由于表面等離子體波是一種表面波，其場(chǎng)沿垂直于金屬表面的方向呈指數(shù)衰減。要利用表面等離子體波作為輻射源，需要解決的關(guān)鍵問題是如何將表面等離子體波轉(zhuǎn)化為輻射場(chǎng)。由于被運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)的表面等離子體具有較高頻率(從可見光到紫外)。同樣能量的運(yùn)動(dòng)電子在不同金屬表面可以激勵(lì)起不同頻率的表面等離子體波；在同一金屬表面， 不同能量的運(yùn)動(dòng)電子也將激勵(lì)起不同頻率的表面等離子體。如果能將表面等離子體波轉(zhuǎn)化為輻射場(chǎng)，我們將可以通過改變電子的能量或改變金屬的材料來得到可調(diào)諧的電磁輻射源。切倫科夫輻射是指當(dāng)電子的運(yùn)動(dòng)速度超過介質(zhì)中光速時(shí)，在介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射。 如果介質(zhì)的折射率為n，而運(yùn)動(dòng)電子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速比是β，則需要滿足ηβ >1。這種情況的切倫科夫輻射具有以下性質(zhì)場(chǎng)主要集中在θ = θ。的錐體內(nèi)， 整個(gè)波以此錐面為邊界形成一個(gè)沖擊波；在一般情況下，介電常數(shù)(或折射率)隨著頻率的增大而減小，在一定頻率下達(dá)到η(ωω) β = 1，即達(dá)到臨界值，此后切倫科夫輻射不再可以產(chǎn)生，所以ωω可以稱為最大頻率。電子的運(yùn)動(dòng)速度和介質(zhì)的特性決定了輻射的頻率范圍。 因此傳統(tǒng)切倫科夫輻射是寬頻的輻射，不能進(jìn)行頻率的調(diào)諧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，該輻射源采用掠過金屬層表的運(yùn)動(dòng)電子在金屬層表面激勵(lì)起表面等離子體波，然后將金屬層表面激勵(lì)起的表面等離子體波轉(zhuǎn)化成切倫科夫輻射，從而產(chǎn)生從可見光到紫外的可調(diào)諧電磁輻射。本發(fā)明能夠克服自由電子激光的電壓高和體積大的缺點(diǎn)，同時(shí)克服了傳統(tǒng)切倫科夫輻射輻射頻譜寬、不可調(diào)諧的缺點(diǎn)，具有小型化、帶寬窄、可調(diào)諧和低電壓的特點(diǎn)。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源，如圖1、2所示，包括電子槍1、介質(zhì)圓環(huán)體3和沉積于介質(zhì)圓環(huán)體3內(nèi)表面的金屬薄膜層4。所述電子槍1發(fā)射的電子束從介質(zhì)圓環(huán)體3的空心圓柱內(nèi)掠過從而在金屬薄膜層4表面激發(fā)表面等離子體波。所述金屬薄膜層4的厚度小于所述表面等離子體波在金屬薄膜層4所用金屬材料中的趨膚深度δ m，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層4到達(dá)介質(zhì)圓環(huán)體3中。電子槍2所發(fā)射電子束的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速的比值β和介質(zhì)圓環(huán)體3所用材料的折射率η滿足切倫科夫輻射條件η β > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層4到達(dá)介質(zhì)圓環(huán)體3內(nèi)并轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射。一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源，如圖3、4所示，包括電子槍1、介質(zhì)圓柱體3和沉積于介質(zhì)圓柱體3外表面的金屬薄膜層4。所述電子槍1發(fā)射的電子束從金屬薄膜層4外表面掠過從而在金屬薄膜層4表面激發(fā)表面等離子體波。所述金屬薄膜層4的厚度小于所述表面等離子體波在金屬薄膜層4所用金屬材料中的趨膚深度δ m，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層4到達(dá)介質(zhì)圓柱體3中。電子槍2所發(fā)射電子束的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速的比值β和介質(zhì)圓柱體3所用材料的折射率η滿足切倫科夫輻射條件ηβ > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層4到達(dá)介質(zhì)圓柱體3內(nèi)并轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射。本發(fā)明通過在介質(zhì)材料表面加載金屬薄膜層，當(dāng)運(yùn)動(dòng)電子掠過金屬薄層表，且電子的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速的比值β和介質(zhì)材料層4的折射率η滿足切倫科夫輻射條件(ηβ > 1，切倫科夫輻射條件也可描述為電子注運(yùn)動(dòng)速度與介質(zhì)介電常數(shù)滿足滿足電子注速度大于介質(zhì)中的光速)，在金屬/介質(zhì)交界面的表面等離子體波(Surface Plasmon Wave/Surface Polariton)將轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射，從而獲得表面等離子體波切倫科夫輻射源?，F(xiàn)有的切倫科夫輻射為電子直接在介質(zhì)中激勵(lì)起的輻射，是一種寬頻的輻射，不能進(jìn)行頻率的調(diào)諧。與現(xiàn)有的切倫科夫輻射相比，本發(fā)明提供的切倫科夫輻射源的輻射頻率由電子束與表面等離子體波的色散曲線的交點(diǎn)，即激勵(lì)起的表面等離子體波的頻率決定。通過改變運(yùn)動(dòng)電子的能量，可以改變激勵(lì)起的表面等離子體波的頻率，從而調(diào)諧電磁輻射源的頻率。因此，本發(fā)明提供的電磁輻射源具有窄帶寬(近似于點(diǎn)頻信號(hào))、可調(diào)諧的特點(diǎn)。 本發(fā)明提供的電磁輻射源可稱為“表面等離子體波切倫科夫輻射源”(Surface Polaritons Cherenkov Radiation Source，簡禾爾 SPCRS)。上述切倫科夫輻射源中1)電子槍1可采用普通電子槍、電子掃描顯微鏡的電子槍或帶電子加速器的電子槍。2、金屬薄膜層4材料可以選擇貴金屬(金、銀等)和堿金屬 (鋁等)。幻介質(zhì)圓環(huán)體或介質(zhì)圓柱體4材料可選擇玻璃、硅、透明陶瓷、藍(lán)寶石或二氧化鈦等；為了到達(dá)較大的輻射功率，可選擇在工作頻率下?lián)p耗小的介質(zhì)，而介電常數(shù)大的介質(zhì)將能使該輻射源工作在更低的電壓。
本發(fā)明提供的表面等離子體波切倫科夫輻射源中，金屬薄膜層4的厚度需要比表面等離子體在金屬中的趨膚深度\小(通常在十納米量級(jí))，而整個(gè)輻射源的尺寸在微米量級(jí)。整個(gè)器件可采用現(xiàn)有的微納加工技術(shù)加工，具有機(jī)理新穎、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、易于集成的特點(diǎn)，也可以做成陣列，并可以通過改變?nèi)肷潆娮拥哪芰縼碚{(diào)節(jié)輻射的頻率。綜上所述，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明具有電壓可調(diào)諧性，頻率隨著電壓的升高而降低，其調(diào)諧范圍由金屬的光學(xué)特性決定。與史密斯-帕塞爾輻射相比，具有更好的輻射方向性，與切倫科夫輻射相比，該結(jié)構(gòu)可以工作在某一輻射頻率，且可以調(diào)諧。2、本發(fā)明與自由電子激光比，可以工作在比較低的電壓，而且不需要周期性擺動(dòng)磁場(chǎng)。3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易于集成。4、本發(fā)明將表面等離子體波轉(zhuǎn)化為輻射場(chǎng)有利于表面等離子體波的研究。


圖1本發(fā)明提供的第一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是發(fā)明提供的第一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源中金屬擋板和介質(zhì)圓環(huán)體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提供的第二種可調(diào)諧切倫科夫輻射源結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的第二種可調(diào)諧切倫科夫輻射源中金屬擋板和介質(zhì)圓柱體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明提供的第一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源工作時(shí)，電子束掠過金屬薄膜表面所激勵(lì)起的表面等離子體波沿電子運(yùn)動(dòng)方向分量的等位圖。圖6是本發(fā)明提供的第一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源工作時(shí)，遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)時(shí)域波形和頻譜。圖7是本發(fā)明提供的第二種可調(diào)諧切倫科夫輻射源工作時(shí)，電子束掠過金屬薄膜表面所激勵(lì)起的表面等離子體波沿電子運(yùn)動(dòng)方向分量的等位圖。圖8是本發(fā)明提供的第二種可調(diào)諧切倫科夫輻射源工作時(shí)，遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)時(shí)域波形和頻譜。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以進(jìn)一步說明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。實(shí)施例1一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源，包括電子槍1、金屬擋板2、介質(zhì)圓環(huán)體3和沉積于介質(zhì)圓環(huán)體3內(nèi)表面的金屬薄膜層4。所述電子槍1發(fā)射的電子束從介質(zhì)圓環(huán)體3的空心圓柱內(nèi)掠過從而在金屬薄膜層4表面激發(fā)表面等離子體波。所述金屬薄膜層4的厚度小于所述表面等離子體波在金屬薄膜層4所用金屬材料中的趨膚深度δ m，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層4到達(dá)介質(zhì)圓環(huán)體3中。電子槍2所發(fā)射電子束的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速的比值β和介質(zhì)圓環(huán)體3所用材料的折射率η滿足切倫科夫輻射條件η β > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層4到達(dá)介質(zhì)圓環(huán)體3內(nèi)并轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射。所述金屬擋板2中間具有半徑小于介質(zhì)圓環(huán)體3內(nèi)半徑的圓形孔，使得電子槍1發(fā)射的電子束經(jīng)過金屬擋板2之后成為柱狀電子束。上述可調(diào)諧切倫科夫輻射源，相關(guān)參數(shù)如下電子注通道半徑(對(duì)應(yīng)于介質(zhì)圓環(huán)體3內(nèi)半徑)IlOnm ；金屬薄膜層厚度20nm ；介質(zhì)層厚度30nm ；介質(zhì)介電常數(shù)4 ；電子注電壓=IOOkV0該可調(diào)諧切倫科夫輻射源工作時(shí)，電子束掠過金屬薄膜表面所激勵(lì)起的表面等離子體波沿電子運(yùn)動(dòng)方向分量的等位圖如圖5所示；其遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)時(shí)域波形和頻譜如圖6所示，得到的電磁輻射頻率約460THZ，輻射功率密度約5*1014W/m2。實(shí)施例2一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源，包括電子槍1、金屬擋板2、介質(zhì)圓柱體3和沉積于介質(zhì)圓柱體3外表面的金屬薄膜層4。所述電子槍1發(fā)射的電子束從金屬薄膜層4外表面掠過從而在金屬薄膜層4表面激發(fā)表面等離子體波。所述金屬薄膜層4的厚度小于所述表面等離子體波在金屬薄膜層4所用金屬材料中的趨膚深度δ m，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層4到達(dá)介質(zhì)圓柱體3中。電子槍2所發(fā)射電子束的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速的比值β和介質(zhì)圓柱體3所用材料的折射率η滿足切倫科夫輻射條件ηβ > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層4到達(dá)介質(zhì)圓柱體3內(nèi)并轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射。所述金屬擋板2為直徑大于介質(zhì)圓柱體3直徑的金屬圓片，使得電子槍1發(fā)射的電子束經(jīng)過金屬擋板2之后成為環(huán)狀電子束。上述可調(diào)諧切倫科夫輻射源，相關(guān)參數(shù)如下環(huán)狀電子注半徑60nm ；金屬薄膜層厚度20nm ；介質(zhì)圓柱體半徑30nm ；介質(zhì)介電常數(shù)4 ；電子注電壓100kV。該可調(diào)諧切倫科夫輻射源工作時(shí)，電子束掠過金屬薄膜表面所激勵(lì)起的表面等離子體波沿電子運(yùn)動(dòng)方向分量的等位圖如圖7所示；其遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)時(shí)域波形和頻譜如圖8所示，得到兩個(gè)頻率的電磁輻射600THz 680THz和850THz。輻射功率密度達(dá)到8*1013W/cm2。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源，包括電子槍(1)、介質(zhì)圓環(huán)體C3)和沉積于介質(zhì)圓環(huán)體(3)內(nèi)表面的金屬薄膜層；其特征在于，所述電子槍(1)發(fā)射的電子束從介質(zhì)圓環(huán)體(3)的空心圓柱內(nèi)掠過從而在金屬薄膜層(4)表面激發(fā)表面等離子體波；所述金屬薄膜層(4)的厚度小于所述表面等離子體波在金屬薄膜層(4)所用金屬材料中的趨膚深度δω，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層(4)到達(dá)介質(zhì)圓環(huán)體(3)中；電子槍( 所發(fā)射電子束的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速的比值β和介質(zhì)圓環(huán)體C3)所用材料的折射率η滿足切倫科夫輻射條件η β > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層(4)到達(dá)介質(zhì)圓環(huán)體(3)內(nèi)并轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射。
2.一種可調(diào)諧切倫科夫輻射源，包括電子槍(1)、介質(zhì)圓柱體C3)和沉積于介質(zhì)圓柱體(3)外表面的金屬薄膜層；其特征在于，所述電子槍(1)發(fā)射的電子束從金屬薄膜層 (4)外表面掠過從而在金屬薄膜層(4)表面激發(fā)表面等離子體波；所述金屬薄膜層的厚度小于所述表面等離子體波在金屬薄膜層(4)所用金屬材料中的趨膚深度δ m，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層(4)到達(dá)介質(zhì)圓柱體(3)中；電子槍( 所發(fā)射電子束的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速的比值β和介質(zhì)圓柱體C3)所用材料的折射率η滿足切倫科夫輻射條件ηβ > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層(4)到達(dá)介質(zhì)圓柱體(3)內(nèi)并轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射。2、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧切倫科夫輻射源，其特征在于，所述電子槍(1)為普通電子槍、電子掃描顯微鏡的電子槍或帶電子加速器的電子槍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)諧切倫科夫輻射源，其特征在于，所述金屬薄膜層(4)材料為金、銀或鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧切倫科夫輻射源，其特征在于，所述介質(zhì)圓環(huán)體(3)材料為玻璃、硅、透明陶瓷、藍(lán)寶石或二氧化鈦。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)諧切倫科夫輻射源，其特征在于，所述介質(zhì)圓柱體(3)材料為玻璃、硅、透明陶瓷、藍(lán)寶石或二氧化鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧切倫科夫輻射源，其特征在于，所述可調(diào)諧切倫科夫輻射源還包括一個(gè)金屬擋板O)，所述金屬擋板( 中間具有半徑小于介質(zhì)圓環(huán)體C3)內(nèi)半徑的圓形孔，使得電子槍(1)發(fā)射的電子束經(jīng)過金屬擋板( 之后成為柱狀電子束。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)諧切倫科夫輻射源，其特征在于，所述可調(diào)諧切倫科夫輻射源還包括一個(gè)金屬擋板O)，所述金屬擋板( 為直徑大于介質(zhì)圓柱體C3)直徑的金屬圓片，使得電子槍(1)發(fā)射的電子束經(jīng)過金屬擋板( 之后成為環(huán)狀電子束。
全文摘要
一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，屬于電磁波輻射源技術(shù)領(lǐng)域。包括電子槍、介質(zhì)圓環(huán)體(或介質(zhì)圓柱體)和沉積于介質(zhì)圓環(huán)體內(nèi)表面(或沉積于介質(zhì)圓柱體外表面)的金屬薄膜層；電子槍發(fā)射的電子束從金屬薄膜層表面掠過從而在金屬薄膜層表面激發(fā)表面等離子體波，表面等離子體波透過金屬薄膜層到達(dá)介質(zhì)材料中；當(dāng)電子槍所發(fā)射電子束的運(yùn)動(dòng)速度與真空中光速的比值β和介質(zhì)材料層的折射率n滿足切倫科夫輻射條件nβ＞1時(shí)，表面等離子體波在介質(zhì)材料層中轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射。輻射頻率由電子束所激發(fā)的表面等離子體波的頻率決定；通過改變運(yùn)動(dòng)電子的能量，可以改變激勵(lì)起的表面等離子體波的頻率，從而調(diào)諧電磁輻射源的頻率。本發(fā)明具有小型化、帶寬窄、可調(diào)諧和低電壓、易集成的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L37/00GK102496678SQ20111043213
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者劉盛綱, 劉維浩, 張平 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)