CN102496678A - 一种可调谐切伦科夫辐射源 - Google Patents
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Abstract
一种表面等离子体波切伦科夫辐射源，属于电磁波辐射源技术领域。包括电子枪、介质圆环体(或介质圆柱体)和沉积于介质圆环体内表面(或沉积于介质圆柱体外表面)的金属薄膜层；电子枪发射的电子束从金属薄膜层表面掠过从而在金属薄膜层表面激发表面等离子体波，表面等离子体波透过金属薄膜层到达介质材料中；当电子枪所发射电子束的运动速度与真空中光速的比值β和介质材料层的折射率n满足切伦科夫辐射条件nβ＞1时，表面等离子体波在介质材料层中转化为切伦科夫辐射。辐射频率由电子束所激发的表面等离子体波的频率决定；通过改变运动电子的能量，可以改变激励起的表面等离子体波的频率，从而调谐电磁辐射源的频率。本发明具有小型化、带宽窄、可调谐和低电压、易集成的特点。
Description
技术领域
本发明属于表面等离子体电子学，光电子学领域，涉及一种基于自由电子激励金属表面等离子体波并转化为切伦科夫辐射，工作在可见光及紫外频段的可调谐电磁波辐射源。
背景技术
发展实用，可调谐，小型化的太赫兹、可见光以及紫外线的相干电磁辐射源对现代科技的理论创新和技术进步具有重要意义，是当代世界科学研究的热点之一。从原理上讲，现有的太赫兹、可见光及紫外光源主要可以分为两类：基于光子学的气体激光器和半导体激光器，以及基于电子学的电子回旋脉塞和自由电子激光器。然而，它们均存在其原理或实际应用的局限性。其中，气体激光器产生的辐射不具有连续可调性，半导体激光器能够产生连续可调的电磁辐射，但是辐射功率低，不能满足某些特殊情况下科学研究的需求。回旋电子脉塞脉塞能够在毫米波，低太赫兹频段得到千瓦级的功率输出，但是要实现更高频率的电磁波输出同样存在原理上的限制(需要远远超出现有水平的极强磁场)。自由电子激光能够产生连续可调、大功率、覆盖从微波到x射线频段的电磁辐射。但是传统的自由电子激光器体积庞大，结构复杂，实现起来比较困难，因此未能得到广泛使用。基于切伦科夫辐射的自由电子激光器结构简单，近年来得到各国科学家的广泛重视，但是其通常工作频率都是在太赫兹频段以下，且需要兆伏甚至吉伏级的电子注工作电压，难以实现器件的小型化和集成。
理论与实验研究表明运动电子能在金属表面激励起表面等离子体波，特别当金属厚度比较薄时(小于金属中的趋肤深度δm)，金属薄层的两侧都有表面等离子体波的存在。由于表面等离子体波是一种表面波，其场沿垂直于金属表面的方向呈指数衰减。要利用表面等离子体波作为辐射源，需要解决的关键问题是如何将表面等离子体波转化为辐射场。
由于被运动电子激励的表面等离子体具有较高频率(从可见光到紫外)。同样能量的运动电子在不同金属表面可以激励起不同频率的表面等离子体波；在同一金属表面，不同能量的运动电子也将激励起不同频率的表面等离子体。如果能将表面等离子体波转化为辐射场，我们将可以通过改变电子的能量或改变金属的材料来得到可调谐的电磁辐射源。
切伦科夫辐射是指当电子的运动速度超过介质中光速时，在介质中产生的辐射。如果介质的折射率为n，而运动电子在介质中的运动速度与真空中光速比是β，则需要满足nβ＞1。这种情况的切伦科夫辐射具有以下性质：场主要集中在θ＝θc的锥体内，整个波以此锥面为边界形成一个冲击波；在一般情况下，介电常数(或折射率)随着频率的增大而减小，在一定频率下达到n(ωm)β＝1，即达到临界值，此后切伦科夫辐射不再可以产生，所以ωm可以称为最大频率。电子的运动速度和介质的特性决定了辐射的频率范围。因此传统切伦科夫辐射是宽频的辐射，不能进行频率的调谐。
发明内容
本发明提供一种表面等离子体波切伦科夫辐射源，该辐射源采用掠过金属层表的运动电子在金属层表面激励起表面等离子体波，然后将金属层表面激励起的表面等离子体波转化成切伦科夫辐射，从而产生从可见光到紫外的可调谐电磁辐射。本发明能够克服自由电子激光的电压高和体积大的缺点，同时克服了传统切伦科夫辐射辐射频谱宽、不可调谐的缺点，具有小型化、带宽窄、可调谐和低电压的特点。
本发明技术方案如下：
一种可调谐切伦科夫辐射源，如图1、2所示，包括电子枪1、介质圆环体3和沉积于介质圆环体3内表面的金属薄膜层4。所述电子枪1发射的电子束从介质圆环体3的空心圆柱内掠过从而在金属薄膜层4表面激发表面等离子体波。所述金属薄膜层4的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层4所用金属材料中的趋肤深度δm，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆环体3中。电子枪2所发射电子束的运动速度与真空中光速的比值β和介质圆环体3所用材料的折射率n满足切伦科夫辐射条件：nβ＞1，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆环体3内并转化为切伦科夫辐射。
一种可调谐切伦科夫辐射源，如图3、4所示，包括电子枪1、介质圆柱体3和沉积于介质圆柱体3外表面的金属薄膜层4。所述电子枪1发射的电子束从金属薄膜层4外表面掠过从而在金属薄膜层4表面激发表面等离子体波。所述金属薄膜层4的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层4所用金属材料中的趋肤深度δm，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆柱体3中。电子枪2所发射电子束的运动速度与真空中光速的比值β和介质圆柱体3所用材料的折射率n满足切伦科夫辐射条件：nβ＞1，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆柱体3内并转化为切伦科夫辐射。
本发明通过在介质材料表面加载金属薄膜层，当运动电子掠过金属薄层表，且电子的运动速度与真空中光速的比值β和介质材料层4的折射率n满足切伦科夫辐射条件(nβ＞1，切伦科夫辐射条件也可描述为：电子注运动速度与介质介电常数满足满足电子注速度大于介质中的光速)，在金属/介质交界面的表面等离子体波(Surface Plasmon Wave/Surface Polariton)将转化为切伦科夫辐射，从而获得表面等离子体波切伦科夫辐射源。现有的切伦科夫辐射为电子直接在介质中激励起的辐射，是一种宽频的辐射，不能进行频率的调谐。与现有的切伦科夫辐射相比，本发明提供的切伦科夫辐射源的辐射频率由电子束与表面等离子体波的色散曲线的交点，即激励起的表面等离子体波的频率决定。通过改变运动电子的能量，可以改变激励起的表面等离子体波的频率，从而调谐电磁辐射源的频率。因此，本发明提供的电磁辐射源具有窄带宽(近似于点频信号)、可调谐的特点。本发明提供的电磁辐射源可称为“表面等离子体波切伦科夫辐射源”(Surface Polaritons Cherenkov Radiation Source，简称SPCRS)。
上述切伦科夫辐射源中：1)电子枪1可采用普通电子枪、电子扫描显微镜的电子枪或带电子加速器的电子枪。2)金属薄膜层4材料可以选择贵金属(金、银等)和碱金属(铝等)。3)介质圆环体或介质圆柱体4材料可选择玻璃、硅、透明陶瓷、蓝宝石或二氧化钛等；为了到达较大的辐射功率，可选择在工作频率下损耗小的介质，而介电常数大的介质将能使该辐射源工作在更低的电压。
本发明提供的表面等离子体波切伦科夫辐射源中，金属薄膜层4的厚度需要比表面等离子体在金属中的趋肤深度δm小(通常在十纳米量级)，而整个辐射源的尺寸在微米量级。整个器件可采用现有的微纳加工技术加工，具有机理新颖、结构简单、尺寸小、易于集成的特点，也可以做成阵列，并可以通过改变入射电子的能量来调节辐射的频率。
综上所述，本发明具有如下优点：
1、本发明具有电压可调谐性，频率随着电压的升高而降低，其调谐范围由金属的光学特性决定。与史密斯-帕塞尔辐射相比，具有更好的辐射方向性，与切伦科夫辐射相比，该结构可以工作在某一辐射频率，且可以调谐。
2、本发明与自由电子激光比，可以工作在比较低的电压，而且不需要周期性摆动磁场。
3、本发明结构简单，尺寸小，易于集成。
4、本发明将表面等离子体波转化为辐射场有利于表面等离子体波的研究。
附图说明
图1本发明提供的第一种可调谐切伦科夫辐射源结构示意图。
图2是发明提供的第一种可调谐切伦科夫辐射源中金属挡板和介质圆环体结构示意图。
图3是本发明提供的第二种可调谐切伦科夫辐射源结构示意图。
图4是本发明提供的第二种可调谐切伦科夫辐射源中金属挡板和介质圆柱体结构示意图。
图5是本发明提供的第一种可调谐切伦科夫辐射源工作时，电子束掠过金属薄膜表面所激励起的表面等离子体波沿电子运动方向分量的等位图。
图6是本发明提供的第一种可调谐切伦科夫辐射源工作时，远区观测点的电场时域波形和频谱。
图7是本发明提供的第二种可调谐切伦科夫辐射源工作时，电子束掠过金属薄膜表面所激励起的表面等离子体波沿电子运动方向分量的等位图。
图8是本发明提供的第二种可调谐切伦科夫辐射源工作时，远区观测点的电场时域波形和频谱。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以进一步说明，应指出的是，所描述的实施例仅在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
一种可调谐切伦科夫辐射源，包括电子枪1、金属挡板2、介质圆环体3和沉积于介质圆环体3内表面的金属薄膜层4。所述电子枪1发射的电子束从介质圆环体3的空心圆柱内掠过从而在金属薄膜层4表面激发表面等离子体波。所述金属薄膜层4的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层4所用金属材料中的趋肤深度δm，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆环体3中。电子枪2所发射电子束的运动速度与真空中光速的比值β和介质圆环体3所用材料的折射率n满足切伦科夫辐射条件：nβ＞1，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆环体3内并转化为切伦科夫辐射。所述金属挡板2中间具有半径小于介质圆环体3内半径的圆形孔，使得电子枪1发射的电子束经过金属挡板2之后成为柱状电子束。
上述可调谐切伦科夫辐射源，相关参数如下：电子注通道半径(对应于介质圆环体3内半径)：110nm；金属薄膜层厚度：20nm；介质层厚度：30nm；介质介电常数：4；电子注电压：100kV。
该可调谐切伦科夫辐射源工作时，电子束掠过金属薄膜表面所激励起的表面等离子体波沿电子运动方向分量的等位图如图5所示；其远区观测点的电场时域波形和频谱如图6所示，得到的电磁辐射频率约460THz，辐射功率密度约5*1014W/m2。
实施例2
一种可调谐切伦科夫辐射源，包括电子枪1、金属挡板2、介质圆柱体3和沉积于介质圆柱体3外表面的金属薄膜层4。所述电子枪1发射的电子束从金属薄膜层4外表面掠过从而在金属薄膜层4表面激发表面等离子体波。所述金属薄膜层4的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层4所用金属材料中的趋肤深度δm，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆柱体3中。电子枪2所发射电子束的运动速度与真空中光速的比值β和介质圆柱体3所用材料的折射率n满足切伦科夫辐射条件：nβ＞1，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆柱体3内并转化为切伦科夫辐射。所述金属挡板2为直径大于介质圆柱体3直径的金属圆片，使得电子枪1发射的电子束经过金属挡板2之后成为环状电子束。
上述可调谐切伦科夫辐射源，相关参数如下：环状电子注半径：60nm；金属薄膜层厚度：20nm；介质圆柱体半径：30nm；介质介电常数：4；电子注电压：100kV。该可调谐切伦科夫辐射源工作时，电子束掠过金属薄膜表面所激励起的表面等离子体波沿电子运动方向分量的等位图如图7所示；其远区观测点的电场时域波形和频谱如图8所示，得到两个频率的电磁辐射：600THz～680THz和850THz。辐射功率密度达到8*1013W/cm2。
Claims (7)
1.一种可调谐切伦科夫辐射源，包括电子枪(1)、介质圆环体(3)和沉积于介质圆环体(3)内表面的金属薄膜层(4)；其特征在于，所述电子枪(1)发射的电子束从介质圆环体(3)的空心圆柱内掠过从而在金属薄膜层(4)表面激发表面等离子体波；所述金属薄膜层(4)的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层(4)所用金属材料中的趋肤深度δm，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层(4)到达介质圆环体(3)中；电子枪(2)所发射电子束的运动速度与真空中光速的比值β和介质圆环体(3)所用材料的折射率n满足切伦科夫辐射条件：nβ＞1，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层(4)到达介质圆环体(3)内并转化为切伦科夫辐射。
2.一种可调谐切伦科夫辐射源，包括电子枪(1)、介质圆柱体(3)和沉积于介质圆柱体(3)外表面的金属薄膜层(4)；其特征在于，所述电子枪(1)发射的电子束从金属薄膜层(4)外表面掠过从而在金属薄膜层(4)表面激发表面等离子体波；所述金属薄膜层(4)的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层(4)所用金属材料中的趋肤深度δm，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层(4)到达介质圆柱体(3)中；电子枪(2)所发射电子束的运动速度与真空中光速的比值β和介质圆柱体(3)所用材料的折射率n满足切伦科夫辐射条件：nβ＞1，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层(4)到达介质圆柱体(3)内并转化为切伦科夫辐射。
2、根据权利要求1或2所述的可调谐切伦科夫辐射源，其特征在于，所述电子枪(1)为普通电子枪、电子扫描显微镜的电子枪或带电子加速器的电子枪。
3.根据权利要求1或2所述的可调谐切伦科夫辐射源，其特征在于，所述金属薄膜层(4)材料为金、银或铝。
4.根据权利要求1所述的可调谐切伦科夫辐射源，其特征在于，所述介质圆环体(3)材料为玻璃、硅、透明陶瓷、蓝宝石或二氧化钛。
5.根据权利要求2所述的可调谐切伦科夫辐射源，其特征在于，所述介质圆柱体(3)材料为玻璃、硅、透明陶瓷、蓝宝石或二氧化钛。
6.根据权利要求1所述的可调谐切伦科夫辐射源，其特征在于，所述可调谐切伦科夫辐射源还包括一个金属挡板(2)，所述金属挡板(2)中间具有半径小于介质圆环体(3)内半径的圆形孔，使得电子枪(1)发射的电子束经过金属挡板(2)之后成为柱状电子束。
7.根据权利要求2所述的可调谐切伦科夫辐射源，其特征在于，所述可调谐切伦科夫辐射源还包括一个金属挡板(2)，所述金属挡板(2)为直径大于介质圆柱体(3)直径的金属圆片，使得电子枪(1)发射的电子束经过金属挡板(2)之后成为环状电子束。
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