本發(fā)明涉及一種電磁學(xué)中的真空電子技術(shù)，尤其涉及一種基于兩段矩形光柵的史密斯-帕賽爾電磁輻射源。

背景技術(shù)：

波長(zhǎng)在毫米或亞毫米量級(jí)、頻率在太赫茲波段的電磁波在生命科學(xué)、材料科學(xué)、高速通信以及國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究者普遍關(guān)注的熱點(diǎn)研究課題。這個(gè)波段的電磁輻射源是發(fā)展太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)有工作在該頻段的電磁輻射源要么功率效率極低(如倍頻實(shí)現(xiàn)的固態(tài)源)，要么加工極其困難(如傳統(tǒng)真空電子學(xué)源)，要么設(shè)備及其復(fù)雜、成本極高(包括基于光學(xué)差頻的輻射源、基于波蕩器的傳統(tǒng)自由電子激光、以及回旋電子脈塞等)。

基于帶電粒子激勵(lì)光柵產(chǎn)生的相干smith-purcell輻射效應(yīng)的smith-purcell自由電子激光是有望發(fā)展成為工作在太赫茲頻段的重要電磁輻射源。

現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)smith-purcell自由電子激光，利用連續(xù)電子注在光柵結(jié)構(gòu)表面與反向慢波的相互作用，使連續(xù)電子注發(fā)生群聚，形成一系列周期性排列的電子團(tuán)，這些電子團(tuán)在光柵表面產(chǎn)生相干smith-purcell輻射，輻射頻率為電子團(tuán)群聚頻率的正整數(shù)倍，即諧波。輻射強(qiáng)度隨頻率倍數(shù)的提高急劇下降，因此，傳統(tǒng)的smith-purcell自由電子激光通常只能產(chǎn)生頻率為群聚頻率兩倍(即二次諧波)的電磁輻射。輻射頻率較難達(dá)到理想的太赫茲頻段，即輻射頻率在0.3thz甚至0.5thz以上。

另一方面，現(xiàn)有的smith-purcell自由電子激光是基于普通的smith-purcell輻射。理論和數(shù)值仿真表明，通過(guò)調(diào)節(jié)電子注和光柵參數(shù)，可以得到一種特異的smith-purcell輻射。它與普通smith-purcell輻射的核心區(qū)別在于：對(duì)于普通smith-purcell輻射，電子注主要激勵(lì)起光柵表面的慢電磁波并與之相互作用，激發(fā)的輻射波發(fā)散到光柵上半空間的各個(gè)方向，且每個(gè)方向的輻射頻率不同；而對(duì)于特異smith-purcell輻射，電子注只能激勵(lì)起輻射波并與之相互作用，其輻射頻率與方向是特定的，輻射頻率與方向均可以通過(guò)調(diào)節(jié)光柵結(jié)構(gòu)和電子注速度確定。特異smith-purcell輻射的輻射強(qiáng)度比普通smith-purcell輻射強(qiáng)度高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是本發(fā)明利用相干特異smith-purcell輻射的出發(fā)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于兩段矩形光柵的史密斯-帕賽爾電磁輻射源。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的基于兩段矩形光柵的史密斯-帕賽爾電磁輻射源，包括產(chǎn)生矩形帶狀電子注的電子槍、大尺寸平板金屬矩形光柵、小尺寸平板金屬矩形光柵和收集極；

所述電子槍與收集極相對(duì)應(yīng)，所述大尺寸平板金屬矩形光柵和小尺寸平板金屬矩形光柵依次放置在電子槍于收集極之間，所述大尺寸平板金屬矩形光柵和小尺寸平板金屬矩形光柵的上表面到所述矩形帶狀電子注的距離相等；

所述電子槍產(chǎn)生勻速的矩形帶狀電子注依次地掠過(guò)所述大尺寸平板金屬矩形光柵和小尺寸平板金屬矩形光柵的上表面，最后進(jìn)入所述收集極；

所述矩形帶狀電子注在所述大尺寸平板金屬矩形光柵表面與反向慢波相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生電子群聚，形成一系列周期性排列的電子團(tuán)，這些電子團(tuán)在光柵表面產(chǎn)生相干的普通smith-purcell輻射，輻射頻率為電子團(tuán)群聚頻率的正整數(shù)倍，當(dāng)這些電子團(tuán)進(jìn)入到所述小尺寸平板金屬矩形光柵表面時(shí)，小尺寸平板金屬矩形光柵產(chǎn)生特異smith-purcell輻射，輻射頻率也為電子團(tuán)群聚頻率的正整數(shù)倍，所述大尺寸平板金屬矩形光柵表面產(chǎn)生的相干普通smith-purcell輻射能產(chǎn)生兩倍于群聚頻率的電磁輻射，所述小尺寸平板金屬矩形光柵的特異smith-purcell輻射能產(chǎn)生五倍甚至六倍的電磁輻射。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于兩段矩形光柵的史密斯-帕賽爾電磁輻射源，與傳統(tǒng)smith-purcell自由電子激光相比，可以使smith-purcell自由電子激光工作在更高次諧波上，輻射頻率提高2到3倍。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于兩段矩形光柵的史密斯-帕賽爾電磁輻射源的二維模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中仿真得到小尺寸平板金屬矩形光柵表面的電場(chǎng)頻譜。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中仿真得到小尺寸平板金屬矩形光柵上半空間的5次諧波輻射電場(chǎng)時(shí)域圖及其與傳統(tǒng)smith-purcell自由電子激光的比較。

圖中：

1電子槍，2帶狀電子注，3收集極，4大尺寸金屬矩形光柵，5小尺寸金屬矩形光柵，6特異smith-purcell輻射。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的基于兩段矩形光柵的史密斯-帕賽爾電磁輻射源，其較佳的具體實(shí)施方式是：

包括產(chǎn)生矩形帶狀電子注的電子槍、大尺寸平板金屬矩形光柵、小尺寸平板金屬矩形光柵和收集極；

所述電子槍與收集極相對(duì)應(yīng)，所述大尺寸平板金屬矩形光柵和小尺寸平板金屬矩形光柵依次放置在電子槍于收集極之間，所述大尺寸平板金屬矩形光柵和小尺寸平板金屬矩形光柵的上表面到所述矩形帶狀電子注的距離相等；

所述電子槍產(chǎn)生勻速的矩形帶狀電子注依次地掠過(guò)所述大尺寸平板金屬矩形光柵和小尺寸平板金屬矩形光柵的上表面，最后進(jìn)入所述收集極；

所述矩形帶狀電子注在所述大尺寸平板金屬矩形光柵表面與反向慢波相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生電子群聚，形成一系列周期性排列的電子團(tuán)，這些電子團(tuán)在光柵表面產(chǎn)生相干的普通smith-purcell輻射，輻射頻率為電子團(tuán)群聚頻率的正整數(shù)倍，當(dāng)這些電子團(tuán)進(jìn)入到所述小尺寸平板金屬矩形光柵表面時(shí)，小尺寸平板金屬矩形光柵產(chǎn)生特異smith-purcell輻射，輻射頻率也為電子團(tuán)群聚頻率的正整數(shù)倍，所述大尺寸平板金屬矩形光柵表面產(chǎn)生的相干普通smith-purcell輻射能產(chǎn)生兩倍于群聚頻率的電磁輻射，所述小尺寸平板金屬矩形光柵的特異smith-purcell輻射能產(chǎn)生五倍甚至六倍的電磁輻射。

所述的特異smith-purcell輻射是由勻速帶電粒子與光柵的輻射波相互作用而產(chǎn)生的是相干輻射，其輻射頻率與方向是確定的。

所述的特異smith-purcell輻射在原理上是由光柵的矩形槽中的諧振模式在勻速帶電粒子的激發(fā)下依次產(chǎn)生的輻射，光柵中的每個(gè)矩形槽是一個(gè)開放的諧振腔，也即是一個(gè)輻射單元，整個(gè)光柵構(gòu)成一系列開放諧振腔形成的陣列。

所述的特異smith-purcell輻射的強(qiáng)度比普通smith-purcell輻射強(qiáng)度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明利用矩形帶狀電子注激勵(lì)兩段矩形光柵產(chǎn)生增強(qiáng)的相干特異smith-purcell輻射的光源技術(shù)，方案圖如附圖1所示：

包括產(chǎn)生矩形帶狀電子注的電子槍、大尺寸平板金屬矩形光柵、小尺寸平板金屬矩形光柵和收集極；電子槍與收集極相對(duì)應(yīng)，大尺寸平板金屬矩形光柵和小尺寸平板金屬矩形光柵依次放置在電子槍和收集極之間；兩個(gè)金屬矩形光柵的上表面到電子注的距離相等；電子槍產(chǎn)生的勻速矩形帶狀電子注依次地掠過(guò)大尺寸平板金屬矩形光柵和小尺寸平板金屬矩形光柵的表面，最后進(jìn)入收集極；矩形帶狀電子注在大尺寸平板金屬矩形光柵表面與反向慢波相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生電子群聚，形成一系列周期性排列的電子團(tuán)，這些電子團(tuán)在光柵表面產(chǎn)生相干的普通smith-purcell輻射，輻射頻率為電子團(tuán)群聚頻率的正整數(shù)倍。當(dāng)這些電子團(tuán)進(jìn)入到小尺寸平板金屬矩形光柵表面時(shí)，小尺寸平板金屬矩形光柵產(chǎn)生特異smith-purcell輻射，輻射頻率也為電子團(tuán)群聚頻率的正整數(shù)倍，它與大尺寸平板金屬矩形光柵表面產(chǎn)生的相干普通smith-purcell輻射不同的是，普通smith-purcell輻射(即傳統(tǒng)smith-purcell自由電子激光)只能產(chǎn)生兩倍于群聚頻率的電磁輻射，而小尺寸平板金屬矩形光柵的特異smith-purcell輻射可以產(chǎn)生更高倍數(shù)頻率(五倍甚至六倍)的電磁輻射，因而可以顯著提高輻射頻率。

其中，所述的特異smith-purcell輻射是由勻速帶電粒子與光柵的輻射波相互作用而產(chǎn)生的是相干輻射，其輻射頻率與方向是確定的。

其中，所述的特異smith-purcell輻射原理上是由光柵的矩形槽中的諧振模式在勻速帶電粒子的激發(fā)下依次產(chǎn)生的輻射，光柵中的每個(gè)矩形槽是一個(gè)開放的諧振腔，也即是一個(gè)輻射單元，整個(gè)光柵構(gòu)成一系列開放諧振腔形成的陣列。

其中，所述的特異smith-purcell輻射的強(qiáng)度比普通smith-purcell輻射強(qiáng)度高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

輻射頻率更高；

與傳統(tǒng)smith-purcell自由電子激光相比，本發(fā)明可以使smith-purcell自由電子激光工作在更高次諧波上，輻射頻率提高2到3倍。

輻射功率相對(duì)較高：

與傳統(tǒng)smith-purcell自由電子激光相比，本發(fā)明在高次諧波分量出的輻射強(qiáng)度明顯增大。

結(jié)構(gòu)緊湊且易實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，要求的工作電壓低，不需要龐大的外部附加設(shè)備，易實(shí)現(xiàn)小型化和集成。

具體實(shí)施例：

以下給出優(yōu)化得到的本發(fā)明的具體實(shí)施參數(shù)和仿真結(jié)果。大尺寸平板金屬矩形光柵：光柵周期0.9mm，光柵梳齒間縫隙寬度0.45mm，光柵梳齒深度0.45mm；小尺寸平板金屬矩形光柵：光柵周期0.35mm，光柵梳齒間縫隙寬度0.05mm，光柵梳齒深度0.1mm；電子注加速電壓80千伏，電流密度50安培每平方厘米，電子注在x方向的厚度為0.1mm。圖2顯示小尺寸平板金屬矩形光柵的表面激勵(lì)起的5次諧波(頻率為0.491thz)的強(qiáng)度比低次諧波(2，3，4次諧波)的強(qiáng)度更強(qiáng)，說(shuō)明它可以激勵(lì)頻率跟高的電磁輻射；圖3為仿真得到的小尺寸平板金屬矩形光柵上半空間的5次諧波輻射電場(chǎng)時(shí)域圖，可以看到，本方案比傳統(tǒng)smith-purcell自由電子激光模型的輻射場(chǎng)強(qiáng)提高了4到5倍，也就是說(shuō)輻射功率提高了約20倍。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。