CN106770619B - 一种表面等离子体激元产生切伦科夫辐射的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面等离子体激元产生切伦科夫辐射的装置，属于电磁波辐射的产生检测领域。具体是一种利用自由电子注激励样品产生表面等离子体激元并由介质转化为可见光波段切伦科夫辐射的装置，包括：电子发射系统、电子接收系统、真空腔室、样品架系统、束流大小测试系统、电控位移控制系统、光谱仪系统、抽真空系统。该装置实现了由电子学和光子学相结合的切伦科夫辐射的产生和探测。

Description

一种表面等离子体激元产生切伦科夫辐射的装置
技术领域
本发明属于电磁波辐射的产生检测领域，具体是一种利用自由电子注激励产生表面等离子体激元由介质转化为可见光切伦科夫辐射的系统。
技术背景
刘盛纲院士带领的团队在太赫兹(THz)辐射源的探索研究工作中，发现单纯利用电子学或者光子学在实现一定功率和频率的THz辐射都存在困难。他们创新性提出一种新的思路——利用表面等离子体激元(Surface Polaritons)把电子学和光子学结合起来产生太赫兹辐射，取得了一系列重要的成果。2012年10月在PRL(Physical Review Letters)第109卷15期上发表了题为“Surface Polariton Cherenkov Light Radiation Source”的重要文章，这篇文章提出了一种不同于传统的光学方法，利用该方法不需要量子跃迁，也不需要光学非线性晶体，仅用简单的微纳结构即可产生相干的、可调谐的、从可见光到紫外的辐射，并可利用差频技术产生THz辐射，因此该新方法可以产生从THz直到紫外的可调谐相干电磁辐射。
该理论文章的发表在国内外引起很大反响。为了从实验上验证这种辐射机理，发明了此实验装置。本发明实现了电子学和光子学相结合的切伦科夫辐射的产生和探测。
电子束从金属薄膜表面平行掠过从而在金属薄膜中激发表面等离子体激元，表面等离子体激元透过金属薄膜到达介质材料中；当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，表面等离子体激元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激元的频率决定；通过改变电子束的运动速度，可以改变激励起的表面等离子体激元的频率，从而调谐电磁辐射的频率。通过改变介质的形状，可以使切伦科夫辐射的传播方向垂直于介质分界面输出，从而便于探测产生的切伦科夫辐射波。光谱分析仪是一种相干探测技术设备，能够同时获得切伦科夫辐射的振幅信息和相位信息，通过对时间波形进行傅里叶变换能直接得到探测到的切伦科夫辐射频率和辐射强度。
发明内容
本发明的目的在于实现自由电子注激励产生表面等离子体激元由介质转化为可见光切伦科夫辐射，并对产生的切伦科夫辐射进行探测。
实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种表面等离子体激元产生切伦科夫辐射的装置，包括：电子发射系统、电子接收系统、真空腔室、样品架系统、电子束流测试系统、电控位移系统以及光谱仪。
所述真空腔室前后两侧壁对应设置有电子发射系统接口和电子接收系统接口，分别用于连接电子发射系统、电子接收系统；上壁设置有电子束流测试接口用于连接电子束流测试系统；下壁设置有光谱仪接口，用于连接光谱仪；左壁还设置有观察窗；右壁设置有电控位移系统接口，用于真空腔室内部样品台连接电控位移系统。
所述电子发射系统包括电子发射装置以及抽真空系统，所述抽真空系统用于对真空腔室抽真空。
所述样品架系统设置于真空腔室内部，包括样品台、电子束流通道板、电子束流接收板以及束流测试引线。
所述电子束流通道板上部开有N个束流通道孔，其中N大于等于3，下部开有卡槽。所述电子束流接收板上部中央开有1个束流通道孔，下部开有与电子束流通道板对应的卡槽；所述卡槽用于固定样品。两根束流引线分别连接电子束流通道板和电子束流接收板，用于连接电子束流测试系统测量电子束流大小。
电子发射系统发射的电子经过电子束流通道板上的束流通道孔，掠过样品表面，激励起样品金属薄膜表面的表面等离子体激元，然后到达电子束流接收板，被电子束流接收板接收。金属薄膜表面等离子体激元透过金属薄膜进入样品的介质层并在介质层中转化为切伦科夫辐射，从介质中辐射出去被光谱仪的光纤探头接收，并由光谱仪测量产生的切伦科夫辐射频率和功率。
所述电控位移系统控制样品台的左右移动，从而使电子束从电子束流通道板上不同的通道孔经过，掠过不同的样品表面，实现对不同样品的激励。
本发明采用以上技术方案所能达到的效果是：电子束从金属薄膜表面平行掠过从而在金属薄膜中激发表面等离子体激元，表面等离子体激元透过金属薄膜到达介质材料中；当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，表面等离子体激元在介质材料层中转化为切伦科夫辐射。通过电控位移系统可以控制样品架的移动，从而实现对多个不同样品的激励；通过电子接收系统可以测量是否有电子束掠过样品表面；通过束流测量系统可以测量电子束流通道板和电子束流接收板上的电流大小；通过光谱仪系统可以测量产生的切伦科夫辐射；通过电子发射系统改变电子束的运动速度，可以调谐切伦科夫辐射的频率。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明的真空腔内样品架系统俯视图；
图3是本发明的电子束流通道板主视图；
图4是本发明的电子束流接收板主视图。
图5是本发明的样品架系统立体图。
图1中：1为真空腔室；2为束流测试系统法兰盘；3为观察窗法兰盘；4为玻璃观察窗；5为电子接收系统法兰盘；6为光纤；7为光谱仪；10为一号波纹管；15为二号波纹管；12为位移板；13为电控位移系统。8和17分别为真空腔室金属支撑板和波纹管支撑板，连接金属底座18。9、11、14、16为分别为一号、二号、三号和四号波纹管法兰盘。
图2中：19为金属位移杆，连接位移板12和绝缘陶瓷样品台20；21为电子束流通道板，其上引出通道板束流引线22；23和24分别为一号和二号样品区，每个样品区可放3个实验样片；25为电子束流接收板，其上引出接收板束流引线26。
图3中：27为为电子束流通道板上的7个电子束流通孔。
图4中：28为电子束流接收板上的电子束流通孔。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
一种表面等离子体激元产生切伦科夫辐射的装置，包括：电子发射系统、电子接收系统、真空腔室1、样品架系统、束流大小测试系统、电控位移系统、光谱仪。
所述真空腔室前后两侧壁对应设置有电子发射系统接口和电子接收系统接口，分别通过法兰盘连接电子发射系统、电子接收系统；上壁设置有电子束流测试接口，通过束流测试系统法兰盘2连接电子束流测试系统；下壁设置有光谱仪接口，光纤6一端探入真空腔室内，另一端连接光谱仪7；左壁还设置有观察窗法兰盘3，其中间为观察窗4；右壁设置有电控位移系统接口，用于真空腔室内部样品台20连接电控位移系统。
所述电子发射系统包括电子发射装置以及抽真空系统，所述抽真空系统用于对真空腔室抽真空。
所述样品架系统设置于真空腔室1内部，包括样品台20、电子束流通道板21、电子束流接收板25以及束流测试引线(22、26)。
所述电子束流通道板上部开有7个束流通道孔，下部开有两个卡槽，其中卡槽正上方通道孔用于电子束经过样品，中间通道孔用于测试电子束流是否从通道孔经过。所述电子束流接收板上部中央开有1个束流通道孔，下部开有与电子束流通道板对应的卡槽；所述卡槽用于固定样品。两根束流引线分别连接电子束流通道板和电子束流接收板，用于连接电子束流测试系统测量电子束流大小。
电子发射装置采用的是粒子加速器。采用的电子速度和实验样品的介质折射率满足切伦科夫辐射的阈值条件nβ＞1。
将6个样品放置于一号样品区23和二号样品区24，连接好实验系统的各个装置。准备工作完成后，利用抽真空系统对真空腔室进行抽真空，当真空度达到10-5Pa或更高时，粒子加速器产生的高速电子通过电子束流通道板上的电子束流通孔27的中间孔，途经电子束流接收板上的电子束流通孔28，最后到达电子束流接收系统。当检测到电子束流符合实验要求时，用电控位移系统13移动金属位移杆19调节样品台的位置，使粒子加速器输出的电子，依次通过电子束流通孔27的左边和右边3个孔，依次对6个实验样品进行激励。由电子束流通道板束流引线22和电子束流接收板束流引线26可以分别测量打在电子束流通道板和电子束流接收板上的束流大小。
电子束掠过6个样品表面，激发的表面等离子体激元经介质产生切伦科夫辐射，通过光纤6接收产生的辐射信号，由光谱仪系统7探测产生的切伦科夫辐射。当探测到切伦科夫辐射以后，调节粒子加速器输出的电子速度，使粒子加速器输出的电子依次通过电子束流通孔27的左边和右边3个孔，依次对6个实验样品进行激励，由光谱仪系统7探测产生的切伦科夫辐射频率变化。

Claims (3)

1.一种表面等离子体激元产生切伦科夫辐射的装置，包括：电子发射系统、电子接收系统、真空腔室、样品架系统、电子束流测试系统以及光谱仪；
所述真空腔室前后两侧壁对应设置有电子发射系统接口和电子接收系统接口，分别用于连接电子发射系统、电子接收系统；上壁设置有电子束流测试接口用于连接电子束流测试系统；下壁设置有光谱仪接口，用于连接光谱仪；
所述电子发射系统包括电子发射装置以及抽真空系统，所述抽真空系统用于对真空腔室抽真空；
所述样品架系统设置于真空腔室内部，包括样品台、电子束流通道板、电子束流接收板以及束流测试引线；
所述电子束流通道板上部开有N个束流通道孔，其中N大于等于3，下部开有卡槽；所述电子束流接收板上部开有1个束流通道孔，下部开有与电子束流通道板对应的卡槽；所述卡槽用于固定样品；两根束流测试引线分别连接电子束流通道板和电子束流接收板，用于连接电子束流测试系统测量电子束流大小；
电子发射系统发射的电子经过电子束流通道板上的束流通道孔，掠过样品表面，激励起样品金属薄膜表面的表面等离子体激元，然后到达电子束流接收板，被电子束流接收板接收；金属薄膜表面等离子体激元透过金属薄膜进入样品的介质层并在介质层中转化为切伦科夫辐射，从介质中辐射出去被光谱仪的光纤探头接收，并由光谱仪测量产生的切伦科夫辐射频率和功率。
2.如权利要求1所述的一种表面等离子体激元产生切伦科夫辐射的装置，其特征在于：所述真空腔室还设置有电控位移系统接口，用于真空腔室内部样品台连接电控位移系统；所述电控位移系统控制样品台的左右移动，从而使电子束从电子束流通道板上不同的通道孔经过，掠过不同的样品表面，实现对不同样品的激励。
3.如权利要求1或2所述的一种表面等离子体激元产生切伦科夫辐射的装置，其特征在于：所述真空腔室还设置有观察窗。
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