CN102593692A - 一种表面等离子体波切伦科夫辐射源 - 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、介质材料层和沉积于介质材料层表面的金属薄膜层；电子枪发射的电子束从金属薄膜层表面上方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层中；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

一种表面等离子体波切伦科夫辐射源
技术领域
本发明属于电磁波辐射源技术领域，涉及一种电子学和光子学相结合的、将表面等离子体波转化为切伦科夫辐射，工作在可见光到紫外的可调谐的新型电磁波辐射源。
背景技术
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不同频率的电磁辐射源。
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。
自由电子激光是利用高速电子束通过周期性摆动磁场产生光辐射。虽然自由电子激光具有可调谐、高效率，大功率等优点，但同时存在体积大、结构复杂、工作电压高，需要周期性摆动磁场等缺点。
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：
一种表面等离子体波切伦科夫辐射源，如图1、2所示，包括电子枪2、介质材料层4和沉积于介质材料层4表面的金属薄膜层3。所述电子枪2发射的电子束从金属薄膜层3表面上方掠过从而在金属薄膜层3表面激发表面等离子体波；所述金属薄膜层3的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层3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3到达介质材料层4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和介质材料层4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3到达介质材料层4中并转化为切伦科夫辐射。
本发明通过在金属薄膜层下方加载介质，当电子在金属薄层表面上方运动，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)，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(如图3所示)，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，本发明提供的表面等离子体波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 RadiationSource，简称SPCRS)。
上述表面等离子体波切伦科夫辐射源中：1)电子枪2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3材料可以选择贵金属(金、银等)和碱金属(铝等)。3)介质材料层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。
为了方便切伦科夫辐射能量的输出，可将介质材料层4的形状设计为三角劈形，其三角形截面平行于电子运动方向，其矩形侧面垂直于切伦科夫辐射方向，此时所输出的切伦科夫辐射能量最大。
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3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)，而整个辐射源的长宽尺寸(对应于金属薄膜层的长宽尺寸)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本发明提供的表面等离子体波切伦科夫辐射源的结构示意图(截面示意图)。
图中：1为金属档板，2为电子枪，3为金属薄膜层，4为介质材料层，同时也是输出窗。
图2本发明提供的表面等离子体波切伦科夫辐射源的侧视图。
图3是本发明提供的表面等离子体波切伦科夫辐射源工作时，电子束掠过金属薄膜表面上方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4是本发明提供的表面等离子体波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
一种表面等离子体波切伦科夫辐射源，如图1、2所示，包括金属挡板1、电子枪2、介质材料层4和沉积于介质材料层4表面的金属薄膜层3。所述电子枪2发射的电子束从金属薄膜层3表面上方掠过从而在金属薄膜层3表面激发表面等离子体波。所述金属薄膜层3的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层3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3到达介质材料层4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和介质材料层4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3到达介质材料层4中并转化为切伦科夫辐射。所述金属挡板1具有平行于金属薄膜层3表面的缝隙，使得电子枪1发射的电子束经过金属挡板1之后成为带状电子束。
电子枪2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3材料可以选择贵金属(金、银等)和碱金属(铝等)。3)介质材料层4材料可选择玻璃、硅、透明陶瓷、蓝宝石或二氧化钛等。
采用厚度为1微米且相对介电常数为9的介质材料层，在其表面沉积20nm厚的金属银膜，制作成上述表面等离子体波切伦科夫辐射源，并采用能量为100keV的电子从距离银膜上表面20nm的地方平行于银膜表面方向掠过。采用粒子模拟软件，仿真得到光源的频率为886THz。其电场Ez的等位图如图3所示。图4是仿真得到的远区观测点的电场时域波形和频谱。
实施例2
与实施例1相似，所不同之处为金属薄膜层3材料采用金，介质材料层4材料采用硅，同样采用100keV的电子从距离金膜上表面20nm的地方平行于金膜方向掠过，将激励起频率为695THz的辐射。

Claims (7)

1.一种表面等离子体波切伦科夫辐射源，包括电子枪(2)、介质材料层(4)和沉积于介质材料层(4)表面的金属薄膜层(3)；其特征在于，所述电子枪(2)发射的电子束从金属薄膜层(3)表面上方掠过从而在金属薄膜层(3)表面激发表面等离子体波；所述金属薄膜层(3)的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层(3)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(3)到达介质材料层(4)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和介质材料层(4)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(3)到达介质材料层(4)中并转化为切伦科夫辐射。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体波切伦科夫辐射源，其特征在于，所述电子枪(2)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所述的表面等离子体波切伦科夫辐射源，其特征在于，所述金属薄膜层(3)材料为金、银或铝。
4.根据权利要求1所述的表面等离子体波切伦科夫辐射源，其特征在于，所述介质材料层(4)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1所述的表面等离子体波切伦科夫辐射源，其特征在于，所述介质材料层(4)的形状为三角劈形，其三角形截面平行于电子运动方向。
6.根据权利要求5所述的表面等离子体波切伦科夫辐射源，其特征在于，所述三角劈形介质材料层(4)的矩形侧面垂直于切伦科夫辐射方向。
7.根据权利要求1至6中任一项所述表面等离子体波切伦科夫辐射源，其特征在于，所述表面等离子体波切伦科夫辐射源还包括一个金属挡板(1)，所述金属挡板(1)具有平行于金属薄膜层(3)表面的缝隙，使得电子枪(1)发射的电子束经过金属挡板(1)之后成为带状电子束。
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