本發(fā)明屬于光電功能器件與納米光源，具體涉及一種基于快電子束的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置及制作方法。

背景技術(shù)：

1、史密斯-珀塞爾輻射是一種由快速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生的輻射現(xiàn)象，這種輻射源于帶電粒子的倏逝庫(kù)侖場(chǎng)與周?chē)橘|(zhì)的相互作用，從而形成遠(yuǎn)場(chǎng)輻射。由于史密斯-珀塞爾輻射可以覆蓋紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)、太赫茲甚至微波等寬廣的光譜范圍，它被認(rèn)為是構(gòu)建納米尺度光源的理想平臺(tái)。目前，史密斯-珀塞爾輻射的研究涵蓋了多個(gè)波段，其應(yīng)用包括納米結(jié)構(gòu)發(fā)光、螺旋光場(chǎng)生成以及倏逝波收集利用等，這些研究使史密斯-珀塞爾輻射逐漸成為集成光子學(xué)的重要研究平臺(tái)。

2、利用史密斯-珀塞爾輻射制造納米光源具有顯著的科學(xué)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，基于掃描電子顯微鏡的陰極熒光光譜系統(tǒng)為產(chǎn)生和研究寬帶史密斯-珀塞爾輻射提供了一種便捷且有效的方法。在傳統(tǒng)的電子束激發(fā)光輻射方式中，快電子束與所設(shè)計(jì)的被激發(fā)樣品的相互作用范圍有限，導(dǎo)致電子和光子的耦合較弱。然而，在史密斯-珀塞爾輻射系統(tǒng)中，快速移動(dòng)的電子可以與被激發(fā)樣品中大量微結(jié)構(gòu)單元相互作用，從而顯著增強(qiáng)所產(chǎn)生的光輻射強(qiáng)度。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多種光學(xué)功能。這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使基于史密斯-珀塞爾輻射的光源研究在科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要價(jià)值。

3、目前對(duì)史密斯-珀塞爾輻射波前的調(diào)控尚未形成一套成熟完善的科學(xué)方法，所采用的設(shè)計(jì)方法比較單一，通常通過(guò)周期性人工結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生史密斯-珀塞爾輻射，也就是基于周期光柵理論對(duì)波前進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然利用周期光柵理論的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)有效的波前調(diào)控，但是基于這種理論設(shè)計(jì)在功能的多樣性上有所欠缺。并且，目前也沒(méi)有辦法利用單個(gè)周期光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)功能的集成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于快電子束的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，不僅能利用快電子束誘導(dǎo)非周期超構(gòu)光柵產(chǎn)生指定波長(zhǎng)的史密斯-珀塞爾輻射，還能通過(guò)調(diào)控非周期超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布，得到所需的史密斯-珀塞爾輻射波前形式。進(jìn)一步，本發(fā)明還提供上述史密斯-珀塞爾輻射生成裝置的制作方法。

2、本發(fā)明的第一方面公開(kāi)一種基于快電子束的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，包括襯底，以及形成于襯底上的非周期性超構(gòu)光柵；所述非周期性超構(gòu)光柵包括平行布置的金屬納米棒，相鄰金屬納米棒的間距不要求完全一致；所述非周期性超構(gòu)光柵在快電子束誘導(dǎo)下產(chǎn)生指定波長(zhǎng)的史密斯-珀塞爾輻射且輻射波前形式由非周期性超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布決定。

3、作為一種可選方案，所述金屬納米棒的材料為金、銀、鉑、鈦中的任意一種。

4、作為一種可選方案，所述金屬納米棒的寬度為史密斯-珀塞爾輻射波長(zhǎng)的1/5-1/30，且不小于30納米；所述金屬納米棒的厚度為50納米±30納米。

5、作為一種可選方案，所述襯底為硅、二氧化硅、氮化硅中的任意一種。

6、作為一種可選方案，所述輻射波前形式包括聚焦、偏折、貝塞爾光束和艾里光束中的任意一種；所述聚焦包括正軸聚焦和離軸聚焦；所述偏折的角度為0-180度。

7、作為一種可選方案，所述指定波長(zhǎng)范圍為200納米至1550納米。

8、作為一種可選方案，所述快電子束的速度為0.1-0.6倍光速。

9、作為一種可選方案，所述非周期性超構(gòu)光柵具有疊加布置的至少兩組；

10、各組非周期性超構(gòu)光柵在快電子束誘導(dǎo)下產(chǎn)生史密斯-珀塞爾輻射且輻射波前形式由各組非周期性超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布決定。

11、本發(fā)明的第二方面公開(kāi)一種史密斯-珀塞爾輻射生成裝置的制作方法，用于制作本發(fā)明第一方面及任意一可選方案所述的基于快電子束的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，包括：

12、指定所需生成的史密斯-珀塞爾輻射的波長(zhǎng)，指定波長(zhǎng)下所述金屬納米棒產(chǎn)生的輻射相位與金屬納米棒的空間位置相關(guān)；

13、根據(jù)所需生成的史密斯-珀塞爾輻射的輻射波前設(shè)計(jì)非周期超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布；

14、基于所述空間位置分布在襯底上制作金屬納米棒，制作完成后即得到所述史密斯-珀塞爾輻射生成裝置。

15、其中，根據(jù)所需生成的史密斯-珀塞爾輻射的輻射波前設(shè)計(jì)非周期超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布，具體包括：

16、根據(jù)光學(xué)理論確定實(shí)現(xiàn)所述輻射波前所需的輻射相位φ隨空間位置x變化的關(guān)系，即φ-x曲線(xiàn)，并將曲線(xiàn)相位變化限制在0到2π范圍內(nèi)；

17、定義x表示金屬納米棒的空間位置，x＝0位置處發(fā)射輻射的相位為所述快電子束經(jīng)過(guò)金屬納米棒時(shí)產(chǎn)生的輻射相位與金屬納米棒的空間位置x的關(guān)系式為：

18、

19、式中，λ是史密斯-珀塞爾輻射的指定波長(zhǎng)，v表示快電子的速度，c是光在真空中的速度。

20、根據(jù)快電子束經(jīng)過(guò)金屬納米棒時(shí)產(chǎn)生的輻射相位與金屬納米棒的空間位置x的關(guān)系，得到曲線(xiàn)，并將其限制在0到2π范圍內(nèi)；

21、將φ-x曲線(xiàn)和曲線(xiàn)疊加得到一系列交點(diǎn)，所述交點(diǎn)的空間位置分布即為非周期超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布。

22、本發(fā)明具有以下有益效果：

23、(1)本發(fā)明不僅能利用非周期超構(gòu)光柵來(lái)產(chǎn)生史密斯-珀塞爾輻射，還能通過(guò)對(duì)非周期超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)任意設(shè)計(jì)的史密斯-珀塞爾輻射相位空間分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種不同形式的史密斯-珀塞爾輻射波前，具有很好的通用性。

24、(2)本發(fā)明可通過(guò)在同一襯底上疊加布置兩組以上非周期超構(gòu)光柵，以在同一史密斯-珀塞爾輻射生成裝置中實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同史密斯-珀塞爾輻射波前，并且能夠擴(kuò)展到較寬的波長(zhǎng)范圍。

25、(3)本發(fā)明可以在波長(zhǎng)范圍為200納米至1550納米內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的指定波長(zhǎng)的史密斯-珀塞爾輻射波前設(shè)計(jì)。

26、(4)本發(fā)明對(duì)非周期超構(gòu)光柵中金屬納米棒的材料和襯底的材料無(wú)特別要求，采用真空襯底，以及常見(jiàn)的介質(zhì)襯底材料如硅、二氧化硅、氮化硅都可以使用。

27、(5)本發(fā)明中非周期超構(gòu)光柵的基本結(jié)構(gòu)單元為金屬納米棒，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且對(duì)其尺寸要求不苛刻，容錯(cuò)性高，制作成本低，易于實(shí)現(xiàn)。

28、(6)本發(fā)明所公開(kāi)的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置適用的快電子束的速度等參數(shù)具有較大的選擇靈活性，可覆蓋0.1-0.6倍光速范圍。

技術(shù)特征：

1.一種基于快電子束的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，其特征在于，包括襯底，以及形成于襯底上的非周期性超構(gòu)光柵；所述非周期性超構(gòu)光柵包括平行布置的金屬納米棒，相鄰金屬納米棒的間距不要求完全一致；

2.如權(quán)利要求1所述的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，其特征在于，所述金屬納米棒的材料為金、銀、鉑、鈦中的任意一種。

3.如權(quán)利要求1所述的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，其特征在于，所述金屬納米棒的寬度為史密斯-珀塞爾輻射波長(zhǎng)的1/5-1/30，且不小于30納米；所述金屬納米棒的厚度為50納米±30納米。

4.如權(quán)利要求1所述的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，其特征在于，所述襯底為硅、二氧化硅、氮化硅中的任意一種。

5.如權(quán)利要求1所述的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，其特征在于，所述輻射波前形式包括聚焦、偏折、貝塞爾光束和艾里光束中的任意一種；所述聚焦包括正軸聚焦和離軸聚焦；所述偏折的角度為0-180度。

6.如權(quán)利要求1所述的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，其特征在于，所述指定波長(zhǎng)范圍為200納米至1550納米。

7.如權(quán)利要求1所述的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，其特征在于，所述快電子束的速度為0.1-0.6倍光速。

8.如權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，其特征在于，所述非周期性超構(gòu)光柵具有疊加布置的至少兩組；

9.一種史密斯-珀塞爾輻射生成裝置的制作方法，其特征在于，用于制作如權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的基于快電子束的史密斯-珀塞爾輻射生成裝置，包括：

10.如權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于，根據(jù)所需生成的史密斯-珀塞爾輻射的輻射波前設(shè)計(jì)非周期超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布，具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種基于快電子束的史密斯?珀塞爾輻射生成裝置，包括襯底，以及形成于襯底上的非周期性超構(gòu)光柵；所述非周期性超構(gòu)光柵包括平行布置的金屬納米棒，相鄰金屬納米棒的間距不要求完全一致；所述非周期性超構(gòu)光柵在快電子束誘導(dǎo)下產(chǎn)生指定波長(zhǎng)的史密斯?珀塞爾輻射且輻射波前形式由非周期性超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布決定。進(jìn)一步，本發(fā)明還提供上述史密斯?珀塞爾輻射生成裝置的制作方法。通過(guò)本發(fā)明不僅能利用快電子束誘導(dǎo)非周期超構(gòu)光柵產(chǎn)生指定波長(zhǎng)的史密斯?珀塞爾輻射，還能通過(guò)調(diào)控非周期超構(gòu)光柵中金屬納米棒的空間位置分布，得到所需的史密斯?珀塞爾輻射波前形式。

技術(shù)研發(fā)人員：熊翔,彭茹雯,王牧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19