一種具有橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)的太茲波輻射源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及真空電子學(xué)太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)Smith-Purcell效應(yīng)THz波福射源。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(Terahertz，簡(jiǎn)稱THz)波是介于遠(yuǎn)紅外光波與微波毫米波之間的一種電磁輻射，其頻率從10GHz到1THz (ITHz = 112Hz)，相應(yīng)的波長(zhǎng)從3毫米到30微米，THz波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置，其獨(dú)特性能給通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響。如今THz技術(shù)已經(jīng)被用于材料、生命科學(xué)、通訊、農(nóng)業(yè)及國(guó)家安全等研究中，形成了多個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域。然而，一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是:如何得到一個(gè)高功率、緊湊可調(diào)的室溫THz波輻射源？因?yàn)椴还苁菑碾妼W(xué)還是光學(xué)的角度，普通的光電子器件都在THz頻率附近存在一個(gè)極限:電子器件難以高于這個(gè)THz頻率，光學(xué)器件難以低于這個(gè)THz頻率。因此尋求有效方法、探索新機(jī)理發(fā)展高性能的THz波輻射源是十分必要的，并且對(duì)促進(jìn)THz波在軍事和民用兩方面的應(yīng)用具有重要的戰(zhàn)略意義。
[0003]目前可作為T(mén)Hz發(fā)射源的方法有多種，主要包括以下幾類:半導(dǎo)體THz波輻射源(如THz-QCL等);基于光子學(xué)的THz發(fā)生器；利用自由電子的THz波輻射源(包括THz真空器件、電子回旋脈塞和自由電子激光);基于高能加速器的THz輻射源等。THz-QCL輻射源由于受到極低溫度的限制成為其廣泛應(yīng)用的屏障，基于光子學(xué)的THz源輸出的功率較低，而基于高能加速器的THz輻射源由于需要龐大的加速裝置，其廣泛應(yīng)用包括在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也受到了極大的限制。在THz福射源中，基于Smith-Purcell (SP)效應(yīng)的相干福射現(xiàn)象引起了科學(xué)家們的廣泛研究興趣及政府的高度關(guān)注，是目前國(guó)際上比較活躍的研究領(lǐng)域之一。其原理是利用電子注貼近光柵上表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生毫米波遠(yuǎn)紅外波段的輻射，輻射的頻率隨觀察角度的變化而變化，稱為SP效應(yīng)。當(dāng)連續(xù)電子注與光柵表面慢波互作用而群聚時(shí)，SP輻射就變成更強(qiáng)的相干輻射?；诖讼喔奢椛涞拇砥骷蠸P效應(yīng)自由電子激光器(free-electron lasers，簡(jiǎn)稱FELs)。相對(duì)傳統(tǒng)的FELs，SP-FELs具有緊湊、可調(diào)、大功率等優(yōu)勢(shì)，因此它成為真空電子學(xué)THz輻射源的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。
[0004]1998年，Urata等人利用30_50keV的連續(xù)電子注驅(qū)動(dòng)周期為0.17mm的光柵結(jié)構(gòu)，通過(guò)注-波互作用使電子注群聚，在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了 SP效應(yīng)的超輻射現(xiàn)象，對(duì)發(fā)展新型的SP FELs具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)中光柵結(jié)構(gòu)采用矩形槽金屬光柵，此結(jié)構(gòu)色散很強(qiáng)且工作在返波狀態(tài)時(shí)，需要較大的電流才能起振。2005年，MIT小組利用直線加速器產(chǎn)生能量為15MeV的預(yù)先群聚電子束團(tuán)，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)周期為Icm的光柵，在90°方向上觀察到了 THz波。實(shí)驗(yàn)中采用階梯型光柵作為注-波互作用結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是提高了效率，但是產(chǎn)生預(yù)先群聚的電子束團(tuán)需要龐大的加速裝置，限制了其廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)Smith-Purcell效應(yīng)THz波相干輻射源。
[0007]( 二)技術(shù)方案
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具有橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)太赫茲波輻射源，其特征在于，包括:
[0009]電子槍陰極，該陰極用于發(fā)射一定速度的電子注；
[0010]電子注收集極，設(shè)置于所述電子槍陰極的正對(duì)位置，所述電子槍陰極和所述電子注收集極之間形成注-波互作用區(qū)；
[0011]橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)置于所述注-波互作用區(qū)中；
[0012]電子注通道，沿電子注的出射方向設(shè)置于所述橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)上表面的中間位置，與所述橢圓槽垂直，且與所述電子槍陰極發(fā)射出的電子注平行；
[0013]平板，設(shè)置于所述橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)的正上方位置，與所述橢圓槽的開(kāi)口平行；
[0014]其中，所述電子槍陰極發(fā)射的電子注經(jīng)過(guò)所述電子注通道，與所述橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生群聚電子束團(tuán)，進(jìn)而產(chǎn)生基于相干Smith-Purcell效應(yīng)的太赫茲波，所述太赫茲波通過(guò)所述平板進(jìn)行能量匯集，實(shí)現(xiàn)功率放大和增長(zhǎng)率提高，而經(jīng)過(guò)互作用結(jié)構(gòu)的電子注由所述電子注收集極收集。
[0015](三)有益效果
[0016]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)Smith-Purcell效應(yīng)THz波福射源具有以下有益效果:
[0017](I)采用周期性橢圓槽光柵作為注-波互作用結(jié)構(gòu)，既減弱了結(jié)構(gòu)的色散同時(shí)又降低了返波工作時(shí)的起振電流，有利于電子注群聚和相干輻射的產(chǎn)生，從而有利于THz波輻射源的廣泛應(yīng)用；
[0018](2)通過(guò)將電子注通道部分嵌入光柵結(jié)構(gòu)中，減小了電子注到光柵的距離，增強(qiáng)了注-波互作用，同時(shí)提高了 THz波輻射強(qiáng)度，有利于實(shí)現(xiàn)輻射源的高功率、小型化、緊湊化，降低了器件的研制成本；
[0019](3)通過(guò)位于光柵正上方的平板(金屬板或介質(zhì)板)將輻射到開(kāi)放空間的能量匯集，有利于實(shí)現(xiàn)輻射的收集和輸出。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明中具有橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)的太茲波輻射源三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明中具有橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)的太茲波輻射源整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明中電子注通道截面示意圖。
[0023]【本發(fā)明主要元件符號(hào)說(shuō)明】
[0024]1-電子槍陰極；2-電子注；
[0025]3-電子注收集極；4-橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)；
[0026]5-平板(金屬板或介質(zhì)板)；6-電子注通道。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明。
[0029]本發(fā)明提供了一種橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)Smith-Purcell效應(yīng)THz波福射源。該THz波輻射源采用周期性橢圓槽光柵結(jié)構(gòu)，將電子