一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，屬于太赫茲真空電子器件領(lǐng)域。所述高頻結(jié)構(gòu)由上下反射鏡分別為球面鏡和柱面鏡的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、陣列金屬光柵、柱面鏡內(nèi)的矩形槽和球面鏡上的圓形耦合孔組成，系統(tǒng)所用金屬材料均為無氧銅。所述陣列金屬光柵光柵兩端嵌于柱面鏡內(nèi)的矩形槽中，沿x方向和z方向均為周期排列，利用圓柱形電子束進行注-波能量交換。本發(fā)明是一種實現(xiàn)太赫茲電磁波信號產(chǎn)生的方法，可以采用圓柱形電子束進行注-波互作用，具有電子效率高、輸出功率大的特點，并能有效降低聚焦磁場強度以及器件的陰極發(fā)射電流密度。
【專利說明】一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)
[0001]所屬領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于太赫茲真空電子器件領(lǐng)域，具體為一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0003]由于THz波獨特的性質(zhì)及在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文，尤其是在衛(wèi)星通訊和軍用雷達、國防安檢等領(lǐng)域具有重大的科學(xué)價值和廣泛的應(yīng)用前景，而受到越來越廣泛的重視。然而直到目前為止，太赫茲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用仍很局限，其主要障礙就是其發(fā)射和接收裝置至今仍然十分笨重而且昂貴。
[0004]根據(jù)THz輻射產(chǎn)生的機理，可以將其輻射源分為兩大類:一類是利用電子學(xué)的方法，另一類是利用光學(xué)的方法。不過，其中大多數(shù)要么設(shè)備復(fù)雜、龐大、效率較低，要么難以室溫下運轉(zhuǎn)。如何有效的產(chǎn)生高功率、高能量、高效率，且能在室溫下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)緊湊的THz輻射源，成為THz技術(shù)的研究熱點。
[0005]真空電子器件在THz輻射源方面取得迅速的發(fā)展，特別是微加工技術(shù)和真空電子學(xué)結(jié)合形成的微型真空電子器件，利用微波管分布作用原理，使工作頻率可以達到太赫茲領(lǐng)域。奧羅管是由片狀電子束在開放式諧振腔內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生電磁場的繞輻射器件，可用作小型緊湊型太赫茲輻射源，但其效率較低，且較大的起振電流對陰極提出了很高的要求，同時由于片狀電子束的電流密度較大，對聚焦磁場的要求也很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，利用圓柱形電子束與陣列光柵內(nèi)部的高頻場進行注-波能量交換，適當(dāng)選取所述陣列金屬光柵和準(zhǔn)光學(xué)諧振腔所組成的結(jié)構(gòu)的尺寸，即可實現(xiàn)系統(tǒng)高頻信號的輸出。本發(fā)明提供的高頻系統(tǒng)具有電子效率高、輸出功率大的特點，并能有效降低聚焦磁場強度以及器件的陰極發(fā)射電流密度。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、陣列金屬光柵，其特征在于:所述的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的上下反射鏡分別為方形球面鏡和方形平凹柱面鏡，在z方向上，沿著方形球面鏡軸線，所述的方形球面鏡上開設(shè)有圓心耦合孔，所述的方形平凹鏡內(nèi)部開設(shè)有一大一小上下銜接的兩矩形凹槽；所述的陣列金屬光柵周期嵌于較小的矩形凹槽內(nèi)部，并沿X和Z方向周期排列；電子槍產(chǎn)生的電子束沿X方向陣列金屬光柵周期排列方向傳輸與該高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)的電磁場進行互作用，利用圓柱形電子束與陣列光柵內(nèi)的電磁場進行注-波能量交換。
[0009]由電子槍產(chǎn)生的圓柱狀電子束通過所述陣列金屬光柵間的縫隙時，金屬光柵表面會有SP福射產(chǎn)生。根據(jù)SP福射原理,金屬光柵表面激勵起的THz電磁波在圓形輸出I禹合孔處的波長均相同。
[0010]根據(jù)電磁模式理論，諧振模式下光柵表面場周期諧波的傳播常數(shù)為2πη/1，n為諧波次數(shù)，I為光柵的周期。選擇適當(dāng)?shù)碾娮幼⑺俣?，使之與光柵表面場的某次空間諧波同步。電子注在場的作用下產(chǎn)生群聚，并將能量交換給諧振腔內(nèi)的電磁場，同時電磁場受到準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的諧振作用，建立起穩(wěn)定的相干振蕩。腔中的電磁場通過球面鏡上的圓形耦合孔輸出。
[0011]所述陣列金屬光柵沿電子束傳輸方向為周期排列，是為了在光柵表面得到傳播常數(shù)為2πη/1的周期諧波；所述陣列金屬光柵沿球面鏡軸線方向為周期排列，是為了增大注-波互作用區(qū)域內(nèi)電磁場的強度，同時增大電子束與光柵表面電磁波的互作用區(qū)域。采用圓柱狀電子束進行電子束-波互作用，是為了增加器件的互作用效率，降低器件對陰極發(fā)射電流密度的要求，同時減小聚焦磁場。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明提供的高頻系統(tǒng)示意圖；
[0013]其中:1、球面鏡；2、柱面鏡；3、陣列金屬光柵；4、矩形匹配槽；5、矩
[0014]形槽；6、圓形輸出f禹合孔；
[0015]圖2是所述高頻諧振系統(tǒng)在285GHz頻率下的場分布圖；
[0016]圖3中:Vp/c為腔模式一次空間諧波沿矩形金屬光柵表面?zhèn)鞑サ乃俣扰c光
[0017]速之比；λ為空間諧波波長；
[0018]圖4是所述高頻結(jié)構(gòu)注-波互作用區(qū)域內(nèi)電場強度與雙光柵繞射輻射器件高頻結(jié)構(gòu)注-波互作用區(qū)域內(nèi)電場強度的對比圖；
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明提供的一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、陣列金屬光柵3，所述的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的上下反射鏡分別為方形球面鏡I和方形平凹柱面鏡2，在豎直方向上，沿著方形球面鏡軸線，所述的方形球面鏡上開設(shè)有圓心耦合孔6，所述的方形平凹鏡內(nèi)部開設(shè)有一大一小上下銜接的兩矩形凹槽4和5 ;所述的陣列金屬光柵周期嵌于較小的矩形凹槽5內(nèi)部，并沿豎直和水平方向周期排列；電子槍產(chǎn)生的電子束在水平方向上沿陣列金屬光柵間周期排列方向傳輸與該高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)的電磁場進行互作用，利用圓柱形電子束與陣列光柵內(nèi)的電磁場進行注-波能量交換。
[0020]所述陣列金屬光柵寬度b為600 μ m, χ方向相鄰兩片陣列光柵的周期I1為130 μ m,相鄰兩片陣列光柵的間隔d為65 μ m, z方向相鄰兩片陣列光柵的周期I2為172 μ m,相鄰兩片陣列光柵的間隔m為132 μ m，光柵兩端嵌于柱面鏡內(nèi)的矩形槽5中。矩形槽5的寬度與陣列金屬光柵寬度b相同。
[0021]矩形槽4的高度h2為800 μ m,寬度b2為1500 μ m。矩形槽4的主要作用是增強矩形槽5內(nèi)部的場強，矩形槽4的高度與寬度的確定原則為該尺寸參數(shù)下矩形槽5內(nèi)部的電場強度最大。
[0022]方形平凹柱面鏡2的口徑L為5265 μ m，曲率半徑R為90000 μ m，其表面到口徑與曲率半徑均與方形柱面鏡2相同的方形球面鏡I之間的距離f為893 μ m。利用仿真軟件CST搭建由上述數(shù)結(jié)參數(shù)確定的結(jié)構(gòu)模型，計算所得的諧振頻率為285GHz，內(nèi)部場分布如圖2所示。[0023]根據(jù)切倫科夫同步條件，計算所得結(jié)構(gòu)的腔模式一次空間諧波色散曲線，如圖3所示。由圖3可知:速度為0.129倍光速的電子束與SP輻射產(chǎn)生的285GHz高頻信號的腔模式一次空間諧波同步，同時電磁場受到諧振頻率為285GHz的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的諧振作用，建立起穩(wěn)定的相干振蕩。
[0024]所述高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場強度與雙光柵高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)部電場強度的對比如圖4，所述高頻結(jié)構(gòu)腔內(nèi)電場強度得到了明顯增強。該高頻結(jié)構(gòu)采用圓柱狀電子束進行注-波互作用，能夠提高互作用效率、增大輸出功率。在功率輸出水平相同的情況下，該高頻結(jié)構(gòu)能夠有效減小陰極發(fā)射電流密度，提升陰極壽命，并降低對聚焦磁場強度的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、陣列金屬光柵，其特征在于:所述的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的上下反射鏡分別為方形球面鏡和方形平凹柱面鏡，在Z方向上，沿著方形球面鏡軸線方向，所述的方形球面鏡上開設(shè)有圓心耦合孔，所述的方形平凹鏡內(nèi)部開設(shè)有一大一小上下銜接的兩矩形凹槽；所述的陣列金屬光柵嵌于較小的矩形凹槽內(nèi)部，并沿X和Z方向周期排列；電子槍產(chǎn)生的電子束沿X方向陣列金屬光柵周期排列方向傳輸，與該高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)的電磁場進行互作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的電子束截面為圓柱狀。
【文檔編號】H01S1/00GK103779763SQ201410032405
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】鄧光晟, 阮久福, 黃曉玲, 楊軍, 李浩光, 尹治平, 桑磊, 蔡斐, 呂國強 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)