CN102403180A - 一种分布作用太赫兹振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布作用太赫兹振荡器，涉及太赫兹(THz)电磁波源技术，包括电子枪、互作用区和收集极，其互作用区由周期满波结构调制谐振腔、能量提取腔组成。其调制谐振腔采用周期慢波结构构成，周期慢波结构可以工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式与电子注发生相互作用，使电子注受到速度和密度调制。本发明的一种分布作用太赫兹振荡器，结合了泛波管和分布作用速调管的优点，具有适宜于产生THz电磁波的特点。

Description

一种分布作用太赫兹振荡器

技术领域

本发明涉及太赫兹(THz)电磁波源技术领域，是一种返波分布作用太赫兹振荡器。

背景技术

近年来，人们对THz领域的研究在国内外都引起了极高的热情。原因之一是许多遥远的星体都辐射THz频段的电磁波，以被动方式观察星体辐射的射电天文望远镜需要THz电磁波源作为本振源。原因之二是许多物质的吸收峰在THz频段，因此THz电磁波在物质特性、化学动力学及原子或分子内能量划分与能量流动问题的研究方面存在大量机会。例如利用THz传输和远红外频谱仪可以研究溶解的HCI的旋转吸收谱。最后一个原因是军事和气象观测应用，有文献报道了一种工作于W波段的星载成像雷达。

无论要把太赫兹(THz)电磁波应用于何种用途，紧凑高效的THz电磁波源是根本。目前正在研究中的THz辐射源有固态振荡器、量子级联激光(QCL)、远红外气体激光、激光驱动THz辐射器、各类自由电子激光(FEL)、微制造技术THz辐射器及返波管等传统电真空器件。这些电磁波源从工作原理上可以分为如下几类：(1)半导体THz源(包括THz量子级联激光器等)；(2)基于光子学的THz发生器；(3)基于高能加速器的THz辐射源；(4)利用自由电子的THz辐射源(包括THz真空器件，电子回旋脉塞和自由电子激光)。

不同的用途对THz源可能提出不同的要求。有的要求输出功率较大，有的要求有较合适的频率。

分如下几个方面介绍一下THz电磁波源的国内外现状：

1、半导体太赫兹源

固态THz源具有小巧、价格低廉和频率可调的特点，是人们希望的一种THz源。但半导体器件的工作频率难于达到1THz以上，而半导体THz激光器，特别是THz量子级联激光器是目前的发展重点之一。第一篇关于量子级联激光的文章由Melvin Lax等发表于1960年，其后于1994年起，Bell实验室的J.Faist做了很多有益的工作(Science，264，22，1994)。在俄国这方面的工作也做了不少(Kazarinov，Sov.Phys.Semi.5，207，1971)，但实验长期没有突破。朗讯曾把QCL作为一个研发重点，但没有结果。直至2002年由英国和意大利科学家获得突破(Nature 417，156-159，2002)。

量子级联激光器(QCL)是以异结构半导体(GaAs/AIGaAs)的导带中的次能级间的跃迁为基础的一种激光器。利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转。

2002年的结果是频率4.4THz，温度50K，脉冲功率20mW。

此后，很多国家都积极开展QCL的研究工作，采用了不同的材料。

到2004年，美国MIT最新的结果是：2.1THz，连续波功率1mW(温度93K)，脉冲功率为20mW(温度137K)。

到2005年，MIT QCL已经用于THz成像，可见THz技术发展的速度比我们想象的要快得多。

在我国，中国电子集团南京55所，渡越雪崩二极管可以做到0.1THz。中国科学院上海微系统研究所和中国科学院半导体研究所，已开展QCL的研究工作并已作出一定的成果。

半导体THz辐射源已安排了一个专题报告进行详细论述。

2、基于光子学的太赫兹辐射源

飞秒激光脉冲的发展给THz源带来了很大的机遇。已经发展了很多基于飞秒激光脉冲和非线性光学晶体的THz激光源。

如THz光导天线、光整流、非线性差频、THz参量振荡器和放大器(TPG，TPO，TPA)和光学Cherenkov辐射等等。

这种方法产生的THz辐射，可以是脉冲的，也可以是连续波的。这方面的研究工作，我国天津大学等单位，也已开展了研究工作，并作出了一定的成果。

3、基于高能加速器的太赫兹源

近几年来，随着THz科学技术的迅速发展，人们发现利用各类电子加速器可以产生THz辐射。

自由电子激光(FEL)可工作于THz。2010年1月13一14日，在美国Honolulu召开的THz辐射源研讨会上，报告了一篇用1MeV静电加速器的FEL，可以在2mm到500微米，(0.15-6)THz，产生1kW的准连续波输出，这一结果被认为是迄今为止最重要的成果之一。

2002年，在Nature上发表的另一篇论文体现了电子学和光子学相结合的方法。利用飞秒激光照射GaAs光学晶体，发射出电子束，再用加速器将电子束加速到40MeV。电子在磁场作用下作旋转运动从而发射出THz辐射，由于电子束的尺度远小于波长，所以辐射是相干的。实验结果可以得到20w连续波的THz辐射。所以，如前所述，Nature编辑部将这篇文章定为研究亮点。

以上这些基于高能加速器的THz源可以提供较大的功率，但体积较为庞大，耗能也较高，在一些应用中显得过于昂贵。

4、传统与新型THz真空电子器件

近儿年来，随着THz科学技术的迅速发展，利用真空电子学产生THz辐射的研究工作取得了很大的进步，出现了“纳米速调管”等新型THz真空电子器件。另一方面，由于技术进步，某些传统真空电子器件如返波管(BWO)、扩展互作用振荡器(EIO或EIK)、绕射辐射器件(Orotron)等的工作频率已接近或达到1THz。

回旋管可望在1THz产生千瓦级的脉冲输出，平均功率可达几十瓦以上。

特别是由CIT的JPL实验室等研究的“纳米速调管”可望在1-3THz频率上工作。纳米速调管结合了电子学、光子学和微加工技术，是很有创新意义的一种新器件。

纳米速调管由于使用微加工技术，所以保证每个纳米速调管频率和相位的一致性，因此可以组成纳米速调管阵列，以大大提高输出功率。利用THz阵列辐射源构成阵列是提高THz辐射功率的一个重要途径。

事实上，还有一种电真空器件已经在上个世纪就已经能够工作在THz频段，而且体积较小，那就是返波管。其实，早在世纪之交以前，世界各国就研制出了工作频率直到1THz的返波管，其中大部分都产生于前苏联或俄罗斯。但当是THz源的应用前景尚未彰显，因此没有得到应有的重视。现在，通过比较，人们发现返波管的功率重量比或功率体积比是最高的THz源之一。也就是说，返波管是最有潜力实现小型化的THz源之一。因此引起了世界领域的研究兴趣。美国的CCR(Calabazas Creek Research，Inc)、Utah大学、NASA的Lewis Research Center及法国Thomson CSF DET等研究机构开展了THz返波管的研究。其中，只有法国Thomson CSF DET做出过成功的样管，其他研究机构均尚未成功。我们中国学界对THz返波管也具有浓厚兴趣，中科院电子所开展了一些计算机模拟研究，发表或正在发表一些阶段研究成果。另外，863计划也安排了少许相关项目，但尚未见到最新进展报道。

EIK也是传统的电真空器件。在Ka波段，世界各国早就有一些产品问世。比如CPI加拿大公司在2006年报道的Ka波段的EIK系列产品功率可以达到1000W。韩国2003年报道正在研制一种Ka波段750W的EIK，当时研制还处于理论设计阶段。中科院电子所曾经在上世纪20年代成功研制出Ka波段100W的脉冲型EIK样管，并提供给某测距雷达使用。近几年来，以CPI加拿大公司的EIK产品获得了长足的发展，中心工作频率迅速扩展到250GHz，显示出这种管型向更高频率发展的巨大潜力。其Ka波段EIKVZA6903E的工作频带在27-31GHz范围，1dB带宽为300MHz，饱和增益为75dB，饱和功率750W。其220GHz的EIK的功率也能达到100W以上。

除此之外，美国的NASA Glenn Research Center等单位开展了采用折叠波导的THz行波管震荡器的研究。其理论分析表明能够在560GHz获得56mW的行波管震荡器。

应该指出，THz领域是电真空器件可以大有作为的领域。从工作原理来分析，行波管放大器具有很宽的工作频带。但作为振荡器，需要从内部或外部引入反馈，其宽带特性已经完全被淹没。EIK比行波管和返波管更有利于获得大功率，但其工作频带较窄。CPI加拿大公司为EIK增加了机械调谐措施，机械调谐的范围在Ka波段可以达到1GHz。返波管是点频振荡器，但其振荡频率可以在较宽频带内进行电调谐，因而更适宜于设备与仪器使用。

我国真空电子器件已有相当好的基础，回旋管的研究工作已在电子科技大学和中科院电子所进行，在0.1THz已作出近100KW脉冲输出的回旋管。FEL已在中科院高能物理所、中国工程物理研究院、北京大学和电子科技大学进行，并取得一定的成果。

中国科学院电子学研究所具有50多年从事电真空器件研究的历史，曾经研制成功微波波段的多种管型的行波管。目前开始了对THz返波管的研究。我们认为，目前实现THz返波管的主要难点在于制造工艺。但是，如果没有对THz返波管进行必要的设计和计算机模拟，那么也没有进一步开展工艺研究的基础。因此，我们已经开展了一些THz返波管模拟计算研究，获得了一些阶段性研究成果。本发明就是在我们现有研究基础上获得的最新成果。

发明内容

本发明的目的是公开一种分布作用太赫兹振荡器，采用周期慢波结构构成调制谐振腔。作为调制谐振腔的周期慢波结构可以工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式与电子注发生相互作用，使电子注受到速度和密度调制。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种分布作用太赫兹振荡器，包括电子枪、互作用区和收集极；其所述互作用区，包括周期满波结构调制谐振腔、能量提取腔，其中，周期满波结构调制谐振腔为工作在THz频段的周期慢波结构。

所述的分布作用太赫兹振荡器，其所述作为调制谐振腔的周期慢波结构，为螺旋线、反绕螺旋螺旋线、各类耦合腔、交叉指慢波结构、梳形慢波结构、折叠波导慢波结构或光子晶体慢波结构其中之一的慢波结构。

所述的分布作用太赫兹振荡器，其所述互作用区，还包括漂移段，漂移段位于周期慢波结构调制谐振腔和能量提取腔之间。

所述的分布作用太赫兹振荡器，其所述互作用区，还包括中间腔或中间周期慢波结构振荡器，中间腔或中间周期慢波结构振荡器位于周期慢波结构调制谐振腔和能量提取腔之间。

所述的分布作用太赫兹振荡器，其在中间腔或中间周期慢波结构振荡器与能量提取腔之间，设置漂移段。

所述的分布作用太赫兹振荡器，其所述周期慢波结构调制谐振腔，工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式与电子注发生相互作用，使电子注受到速度和密度调制。

本发明的一种分布作用太赫兹振荡器，结合了返波管和分布作用速调管的优点，具有适宜于产生THz电磁波的特点。

附图说明

图1为本发明的一种返波分布作用太赫兹振荡器结构示意图，其中：

1-电子枪        2-周期满波结构调制谐振腔

3-漂移段        4-能量提取腔

5-能量输出结构  6-收集极

7-电子束聚焦系统

具体实施方式

本发明的一种分布作用太赫兹振荡器，是一种分布作用振荡器(Extended-Interaction Oscillator，EIO)，其采用周期慢波结构构成调制谐振腔。作为调制谐振腔的周期慢波结构可以工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式与电子注发生相互作用，使电子注受到速度和密度调制。如图1所示，该器件由电子枪1、互作用区和收集极组成，其中的互作用区主要由周期满波结构调制谐振腔2、漂移段3和能量提取腔4组成。周期满波结构调制谐振腔2的功能是对电子注进行调制，漂移段3的作用是为电子注提供群聚空间，能量提取腔4的作用是从电子注提取电磁波能量。能量提取腔4与能量输出结构5相连，并通过后者向外输出电磁波能量。电子枪1的作用是提供电子注，所提供的电子注沿着图1所示结构的轴线向收集极6方向运动，最终被收集极6所收集。在这过程中，电子注穿过由周期满波结构调制谐振腔2、漂移段3和能量提取腔4组成的互作用区，并与互作用区发生上面所述的注-波相互作用。另外，图1中的电子束聚焦系统7的作用是把电子注限制在轴线周围的有限区域内。

根据需要，在本发明的周期慢波结构调制谐振腔2和能量提取腔4之间，也可以不设置漂移段3，而设置中间腔或中间周期慢波结构振荡器(图中没示出)。或在周期慢波结构调制谐振腔2和能量提取腔4之间，顺序设置中间腔或中间周期慢波结构振荡器、漂移段3。

本发明的一种分布作用太赫兹振荡器，在实施时，要注意以下几点：

(1)根据工作频段和工艺制造水平选取作为周期满波结构调制谐振腔的周期慢波结构。从理论上讲，任何一种已知的或将来新发明的慢波结构都可以用来构成本发明所需的周期满波结构调制谐振腔。不过，在具体实施时，仍然要根据工作频段和工艺制造水平对周期慢波结构进行选择。从现有的周期慢波结构看，螺旋线慢波结构在Ka波段以下获得了最为广泛的应用。但是，随着结构尺寸随频率的减小，螺旋线慢波结构的制造难度随着频率升高而逐渐增大，在W波段以上时，已经不可能制造。因此，在W波段以上，梯形慢波结构、梳状慢波结构、折叠波导慢波结构等周期慢波结构显示出更大的优势。尤其是这些慢波结构可以用平面微制造工艺进行制造，从而可以制造出适宜于工作在THz频段的微细周期慢波结构。原则上可以使用任何一种慢波结构或将来新发明的新型慢波结构，然后根据以下步骤开展设计与制造。

(2)用线切割等传统工艺、平面微制造工艺及其它任何公知技术制造上述的梯形慢波结构、梳状慢波结构、折叠波导慢波结构等周期慢波结构。

(3)利用专用或通用电磁计算软件计算所选定的慢波结构的慢波特性，根据工作频段选定慢波结构的结构尺寸。通过优化计算，使在工作频段内的耦合阻抗尽可能高。

(4)根据上述第3步的计算结果，选定同步电压，并以此为根据计算设计电子枪、收集极和电子注聚焦系统。用与现有速调管和行波管相同或改进的设计方法设计漂移段、能量提取腔及输能结构。用与现有速调管和行波管相同的制造方法制造这些部件。

(5)用与现有速调管和行波管相同的整管制造方法制造整管。

(6)用与现有速调管和行波管相同的测试方法测试整管。

Claims (6)

1.一种分布作用太赫兹振荡器，包括电子枪、互作用区和收集极；其特征在于，所述互作用区，包括周期满波结构调制谐振腔、能量提取腔，其中，周期满波结构调制谐振腔为工作在THz频段的周期慢波结构。

2.如权利要求1所述的分布作用太赫兹振荡器，其特征在于，所述周期慢波结构，为螺旋线、反绕螺旋螺旋线、各类耦合腔、交叉指慢波结构、梳形慢波结构、折叠波导慢波结构或光子晶体慢波结构其中之一的慢波结构。

3.如权利要求1所述的分布作用太赫兹振荡器，其特征在于，所述互作用区，还包括漂移段，漂移段位于周期慢波结构调制谐振腔和能量提取腔之间。

4.如权利要求1所述的分布作用太赫兹振荡器，其特征在于，所述互作用区，还包括中间腔或中间周期慢波结构振荡器，中间腔或中间周期慢波结构振荡器位于周期慢波结构调制谐振腔和能量提取腔之间。

5.如权利要求3或4所述的分布作用太赫兹振荡器，其特征在于，在中间腔或中间周期慢波结构振荡器与能量提取腔之间，设置漂移段。

6.如权利要求1或2所述的分布作用太赫兹振荡器，其特征在于，所述周期慢波结构调制谐振腔，工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式与电子注发生相互作用，使电子注受到速度和密度调制。

Images