CN102623873A - 一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，使电子注的电子以大于在双负材料中的电磁波相速的某一平均速度在靠近双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动，从而产生相干的高功率辐射。此方法可适用于高功率、小型化太赫兹辐射源和切伦科夫粒子探测器和发射器。

Description

一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法

技术领域

本发明属于高频率、高功率、小型化真空电子器件领域，主要应用于基于反向切伦科夫辐射效应的高功率、小型化太赫兹辐射源及切伦科夫粒子探测器和发射器。

背景技术

太赫兹辐射广义上是指频率在0.1-10THz，狭义指频率在0.3-3THz的相干电磁辐射，其频率介于微波的短波段和远红外线的长波段之间。太赫兹科学技术在世界范围内引起了一场广泛的研究热潮，这是因为太赫兹电磁波具有许多新颖的电磁特性和潜在的应用价值：首先，太赫兹辐射比红外线与可见光具有更强的穿透性，能够以很小衰减穿透布料、塑料等，可应用于安全监控、雷达与通信方面；其次，太赫兹辐射的光子能量远低于X射线，因此不会对生物体组织与DNA分子造成很大破坏，可以应用在DNA探测、遗传分析、断层成像等生物医学方面；再次，太赫兹频谱可以携带化合物的诸多信息，包括生物化学成分、频谱特性等，在生物化学或其他领域发挥着极其重要的作用。然而高功率太赫兹辐射源的缺乏阻碍了太赫兹科学技术在以上诸多应用方面的实现。

超常材料(Metamaterials)是人工设计的具有自然材料所不具备超常物理性质的复合材料。双负材料(Double-Negative Metamaterials)是超常材料中的一种，其等效介电常数和磁导率的实部均为负，它具有一些不同寻常的电磁特性，例如负的折射率、反向切伦科夫辐射、反向多普勒效应、反折射定律等。由于其潜在的理论价值和广泛的应用前景，双负材料的实现被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技突破之一。2006年利用超常材料制成的“隐身衣”被美国《科学》杂志再度评为当年十大科技突破之一。2010年美国《科学》杂志将超常材料评为过去十年科学界“十大卓见”之一。

MIT的J.Lu等人发表的文章《Cerenkov radiation in materials with negativepermittivity and permeability》(Opt.Express，11，723，2003)介绍了单个带电粒子通过无限大各向同性双负材料所产生的反向切伦科夫辐射效应，作者对材料在有损耗和色散条件下的反向切伦科夫辐射分别作了详尽的研究；Y.O.Averkov等人在文章《Cherenkov radiation by an electron bunch that moves in a vacuumabove a left-handed material》(Phys.Rev.B，72，205110，2005)中从理论上研究了电子束团通过各向同性双负材料上方的切伦科夫辐射，结果表明了在各向同性双负材料中的切伦科夫辐射具有“反向”特性；S.N.Galyamin等人在文章《Reversed Cherenkov-Transition Radiation by a Charge Crossing a Left-HandedMedium Boundary》(Phys.Rev.Lett.，103，194802，2009)中从理论上分析了单个带电粒子穿过双负材料边界运动所产生的反向切伦科夫辐射以及跃迁辐射；Z.Y.Duan等人在文章《Reversed Cherenkov radiation in a waveguide filled withanisotropic double-negative metamaterials》(J.Appl.Phys.，104，063303，2008)、《Cherenkov radiation in anisotropic double-negative metamaterials》(Opt.Express，16，18479，2008)、《Enhanced reversed Cherenkov radiation in a waveguide withdouble-negative metamaterials》(Opt.Express，19，13825，2011)等中详细研究了在圆波导中全部或部分填充双负材料的情形下的反向切伦科夫辐射以及提高辐射强度的有效方法。这种新型的电磁辐射在切伦科夫粒子探测器和发射器及高频率、高功率电磁辐射源方面有着潜在的应用价值；在D.L.Barker等人的美国专利《Smith-Purcell radiation source using negative-index metamaterial》(7，397，055B2 7/2008)中，作者提出一种由负折射率材料(Negative Index Metamaterials)构成的周期性光栅结构(图1)，当电子注靠近光栅表面运动时产生了比在常规金属光栅情形下更强的Smith-Purcell电磁辐射；在Z.Y.Duan等人最新发表的论文《Novel electromagnetic radiation in a semi-infinite space filled with adouble-negative metamaterial》(Phys.Plasmas，19，013112，2012)中，作者论证了单个带电粒子在靠近各向同性双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动时，在双负材料中出现反向切伦科夫辐射(图2)，并且在真空区域中的表面等离子激元幅度相对于常规介质材料的情形有明显增强(图3)，并于2011年5月27日申请了中国发明专利(申请号：201110139754.1，名称：一种各向同性的双负人工材料，发明人：段兆云、郭晨、唐涛，目前正在受理中)。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，实现在高频率情形下，大大提高电子注的电流，从而大大增强辐射强度。

本发明所采用的技术方案为：一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，使电子注的电子以某一平均速度在靠近双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动，从而产生相干的高功率辐射。

进一步地，所述某一平均速度大于在双负材料中的电磁波的相速。

进一步地，所述电子注为圆柱形电子注、片状电子注或椭圆形电子注，其注尺寸小于工作波长。

进一步地，通过调控双负材料参数和改变电子注参数来大大增强表面等离子激元幅度和反向切伦科夫辐射能量。

所述调控双负材料参数分为提高填充因子和减小损耗两种方式，其中，提高填充因子的方法为通过改变双负材料的金属开路环谐振器尺寸来改变其磁谐振强度，减小损耗的方法为通过选用不同介质材料和金属材料改变双负材料的磁损耗γ_m，从而改变其磁谐振性能。

所述改变电子注参数分为增加电子注的电子数，增大片状电子注的横向尺寸，让电子注贴近双负材料运动三种方式。

改变电子注参数时必须保证电子注的尺寸小于反向切伦科夫辐射的波长。

进一步地，所述双负材料为：由金属开路环谐振器、对称环、嵌套环、S形谐振环或Ω环谐振结构和金属细线固定于介质基片上，组合形成一个单元，将多个这种单元结构分别沿着空间直角坐标系的三维方向周期性排列，构成一种各向同性的双负人工电磁材料。

根据反向切伦科夫辐射的物理机理，电子注的电子以大于在双负材料中的电磁波相速的某一平均速度在靠近双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动，并与双负材料相互作用，从而产生高功率反向切伦科夫辐射(辐射方向如图4中的6)，同时在真空中由于不满足切伦科夫辐射条件，产生了一种表面等离子激元(可以通过时间平均坡印廷矢量幅度

来表征，方向如图4中的4和5)，当离开真空和双负材料的边界时，它就会按指数规律衰减。由于双负材料具有显著的谐振特性，从而导致表面等离子激元幅度相对常规介质材料情形时大大增强，这是采用双负材料的明显优势。同时，由于可以调控双负材料参数，从而可以大大减小在双负材料中传输的电磁波相速，根据切伦科夫辐射机理，就会大大降低加速电压，从而使得器件小型化。

为了实现双负材料中具有负实部的等效介电常数与磁导率，双负材料可以采用周期性排列的由金属开路环谐振器、对称环、嵌套环、S形谐振环或Ω环谐振结构和金属细线构成的多个单元结构。其中开路环谐振器等环状结构产生负实部的等效磁导率；金属细线等杆状结构产生负实部的等效介电常数。一种典型的双负材料是这样构成的：由金属开路环谐振器(图5(a)中的1)和金属细线(图5(a)中的2)固定于介质基片(图5(a)中的3)的两侧，组合形成一个单元(图4中的1)；将多个这种单元结构分别沿着空间直角坐标系的三维方向周期性排列，从而形成一种各向同性的双负人工材料(图4中的2，具体结构见图5(b))，所述双负人工材料具有三维结构、各向同性的特点，其结构尺寸可根据工作频段、加工工艺进行灵活设计。双负材料在申请号201110139754.1的中国专利申请中具有详细介绍。

采用电子枪(图4中的7)产生一种高电流密度、大电流的电子注(图4中的3，这里的电子注可以是圆柱形电子注、片状电子注、椭圆形电子注等)，对于产生脉冲的电磁波，其注尺寸小于工作波长才能产生相干辐射，例如要采用片状电子注产生1THz的电磁波，那么片状电子注的尺寸(如图6所示)2x₀×2y₀×2z₀均应小于300μm；对于产生连续的电磁波，其电子注的电子平均速度略大于在双负材料中的电磁波相速，才能产生相干辐射。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明以高电流密度、大电流的电子注代替单个带电粒子，使其在靠近双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动，从而产生相干高功率辐射(图4)，此方法可适用于高功率、小型化太赫兹辐射源和切伦科夫辐射粒子探测器和发射器。

本发明提出了一种基于各向同性的双负材料和大电流片状电子注来产生高功率可调谐太赫兹辐射的新方法。

附图说明

图1是基于负折射率材料周期性光栅结构产生Smith-Purcell辐射的示意图(现有技术)，其中20是Smith-Purcell辐射源，22是带电粒子源，24是带电粒子束，26是两种不同媒质周期性栅格状的分界面，28是负折射率材料，30是一种常规介质材料，32是基于负折射率材料所产生的Smith-Purcell辐射，33是基于常规介质材料所产生的Smith-Purcell辐射，34是负折射率材料光栅结构，36是由多个负折射率材料单元构成的一种谐振结构，38是开路环谐振器，40是金属细线；

图2是双负材料以及真空中时间平均坡印廷矢量方向的示意图(现有技术)；

图3是双负材料和常规介质材料情形下的表面波幅值大小比较的示意图(现有技术)；

图4是电子注的产生并与双负材料相互作用，产生高功率辐射的示意图，其中1为组成双负材料的基本单元，2为由多个周期排列的基本单元构成的各向同性双负材料，3为电子注，4、5表示等离子激元的辐射方向，6表示反向切伦科夫辐射方向，7为电子枪；

图5(a)是金属开路环谐振器(图中的1)和金属细线(图中的2)固定于介质基片(图中的3)的两侧所形成的双负材料单元结构示意图，图5(b)是在一个实心长方体的聚酰亚胺材料上开孔后放入带有金属开路环谐振器和金属细线的介质基片所形成的各向同性双负材料示意图；

图6是片状电子注通过双负材料区域(2区)上方的真空区域(1区)产生太赫兹辐射的物理模型；

图7(a)是相对磁导率与相对介电常数随频率的变化关系图，图7(b)是在开路环谐振器取三种不同填充因子F₀的情形下，x＝-d/2处时间平均坡印廷矢量的幅度和反向切伦科夫辐射能量随频率的变化关系图。所采用的参数为电子等离子体频率ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，磁谐振频率ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，代表材料电磁损耗(为了分析的方便，假定磁损耗γ_m等于电损耗γ_e)的碰撞频率γ_e＝γ_m＝γ＝5×10¹⁰rad/s，片状电子注参数x₀＝1μm，y₀＝5μm，z₀＝10μm，N＝5×10⁹，υ＝0.1c，d＝50μm，注：谐振频率在任何需要的太赫兹频段内进行控制，c为真空中的光速；

图8(a)是相对磁导率与相对介电常数随双负材料损耗的变化关系图，图8(b)是在x＝-d/2处，时间平均坡印廷矢量的幅度和反向切伦科夫辐射能量随γ的变化关系图(其中ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，γ_e＝5×10¹⁰rad/s，片状电子注参数x₀＝1μm，y₀＝5μm，z₀＝10μm，N＝5×10⁹，υ＝0.1c，d＝50μm)；

图9(a)是片状电子注的电子数对真空中的时间平均坡印廷矢量的幅度和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量的影响(其中ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，γ_e＝γ_m＝γ＝5×10¹⁰rad/s，片状电子注参数x₀＝1μm，y₀＝5μm，z₀＝10μm，υ＝0.1c，d＝50μm)，图9(b)是片状电子注横截面尺寸y₀对真空中的时间平均坡印廷矢量的幅度和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量的影响(其中ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，γ_e＝γ_m＝γ＝5×10¹⁰rad/s，片状电子注参数x₀＝1μm，z₀＝10μm，N＝5×10⁹，υ＝0.1c，d＝50μm)；

图10是片状电子注与双负材料分界面之间的距离d对真空中的时间平均坡印廷矢量的幅度和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量的影响(其中ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，γ_e＝γ_m＝γ＝5×10¹⁰rad/s，片状电子注参数为x₀＝1μm，y₀＝5μm，z₀＝10μm，N＝5×10⁹，υ＝0.1c)；

具体实施方式

采用一种双负材料的具体结构如图5所示；在高频率、小型化的条件下，采用片状电子注能够提供大电流。通过改变双负材料参数和片状电子注参数来大大增强真空中的表面等离子激元幅度(可以通过时间平均坡印廷矢量幅度

来表征)和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量。片状电子注可由片状电子枪产生，片状电子注在周期聚焦磁场作用下能稳定传输。下面采用图6所示的物理模型，我们分别列举5个主要的方法来大大增强表面等离子激元幅度和反向切伦科夫辐射能量。前两个方法是通过改变双负材料参数来实现，后三个方法是通过改变片状电子注参数来实现。

1.提高填充因子：

在片状电子注参数x₀＝1μm，y₀＝5μm，z₀＝10μm，N＝5×10⁹，υ＝0.1c(c为真空中的光速)和d＝50μm保持不变的前提下，对于以下给定的双负材料参数：电子等离子体频率ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，磁谐振频率ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，代表材料电磁损耗(为了分析的方便，假定磁损耗γ_m等于电损耗γ_e)的碰撞频率γ_e＝γ_m＝γ＝5×10¹⁰rad/s，通过改变双负材料的金属开路环谐振器尺寸可以改变其磁谐振强度，如图7(a)所示。真空区域中的时间平均坡印廷矢量幅度和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量随着填充因子F₀(介于0到1之间)的增加而增大，如图7(b)所示。

2.减小损耗：

在片状电子注参数为x₀＝1μm，y₀＝5μm，z₀＝10μm，N＝5×10⁹，υ＝0.1c和d＝50μm保持不变的前提下，对于以下给定的双负材料参数：ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，γ_e＝5×10¹⁰rad/s，通过选用不同介质材料和金属材料改变双负材料的磁损耗γ_m，可以改变其磁谐振性能，如图8(a)所示。当γ减小时，真空区域中的时间平均坡印廷矢量和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量随之增大，如图8(b)所示。

3.增加电子注的电子数：

在双负材料参数ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，γ_e＝γ_m＝γ＝5×10¹⁰rad/s不变的前提下，对于以下给定的片状电子注参数：x₀＝1μm，y₀＝5μm，z₀＝10μm，υ＝0.1c和d＝50μm，通过改变片状电子注的电子数目N，从而改变辐射性能。值得注意的是，必须保证电子注的尺寸小于反向切伦科夫辐射的波长。当N增加时，真空区域中的时间平均坡印廷矢量幅值和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量随之明显增强，并且反向切伦科夫辐射能量会随N的增大而产生平方数量级的增加，如图9(a)所示。

4.增大片状电子注的横向尺寸：

在双负材料参数ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，γ_e＝γ_m＝γ＝5×10¹⁰rad/s不变，且片状电子注电流密度保持恒定的前提下，对于以下片状电子注参数：x₀＝1μm，z₀＝10μm，N＝5×10⁹，υ＝0.1c和d＝50μm，通过改变电子注横向尺寸y₀来改变辐射性能。例如当y0增加10倍时，真空区域当中的时间平均坡印廷矢量幅值和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量分别增大大约10倍和100倍，如图9(b)所示。

5.尽量让片状电子注贴近双负材料运动：

在双负材料参数ω₀＝2π×1×10¹²rad/s，ω_p＝2π×3.5×10¹²rad/s，γ_e＝γ_m＝γ＝5×10¹⁰rad/s不变的前提下，对于以下片状电子注参数：x₀＝1μm，y₀＝5μm，z₀＝10μm，N＝5×10⁹和υ＝0.1c，通过改变片状电子注与双负材料和真空之间分界面的距离d，可以改变辐射性能。当d减小时，真空中的时间平均坡印廷矢量幅值增强，同时双负材料中的反向切伦科夫辐射能量亦随之大大增强，如图10所示。

通过进一步对比分析发现，采用双负材料代替常规介质材料并增加片状电子注的电子数目N是大大增强真空中的表面等离子激元幅度和双负材料中的反向切伦科夫辐射能量最为有效的手段，基于此方法可研制出小型化、高功率太赫兹辐射源和切伦科夫粒子探测器和发射器。

Claims (8)

1. 一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，其特征在于，使电子注的电子以某一平均速度在靠近双负材料与真空的分界面处的真空区域中运动，从而产生相干的高功率辐射。

2. 根据权利要求1所述的一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，其特征在于，所述某一平均速度大于在双负材料中的电磁波相速。

3. 根据权利要求1所述的一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，其特征在于，所述电子注为圆柱形电子注、片状电子注或椭圆形电子注。

4. 根据权利要求1所述的一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，其特征在于，通过调控双负材料参数和改变电子注参数来大大增强表面等离子激元幅度和反向切伦科夫辐射能量。

5. 根据权利要求4所述的一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，其特征在于，所述调控双负材料参数分为提高填充因子和减小损耗两种方式，其中，提高填充因子的方法为通过改变双负材料的金属开路环谐振器尺寸来改变其磁谐振强度，减小损耗的方法为通过选用不同介质材料和金属材料改变双负材料的磁损耗                                               

，从而改变其磁谐振性能。

6. 根据权利要求4所述的一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，其特征在于，所述改变电子注参数分为增加电子注的电子数，增大电子注的横向尺寸，让电子注贴近双负材料运动三种方式。

7. 根据权利要求6所述的一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，其特征在于，改变电子注参数时必须保证电子注的尺寸小于反向切伦科夫辐射的波长。

8. 根据权利要求1所述的一种基于双负材料产生高功率辐射的实现方法，其特征在于，所述双负材料为：由金属开路环谐振器、对称环、嵌套环、S形谐振环或

环谐振结构和金属细线固定于介质基片上，组合形成一个单元，将多个这种单元结构分别沿着空间直角坐标系的三维方向周期性排列，构成一种各向同性的双负人工电磁材料。

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