CN107706702B - 一种电磁波辐射系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁波辐射系统以及方法，该电磁波辐射系统包括：金属光栅，所述金属光栅具有金属基底，所述金属基底的表面设置有多个并行排布的沟槽，以在所述表面形成多个光栅栅条；设置在所述光栅栅条表面的超材料膜层；带电粒子发生器，所述带电粒子发生器用于产生预设初速度的带电粒子，所述带电粒子平行通过所述超材料膜层的表面，与所述超材料膜层的表面具有小于预设高度的间隙；其中，所述带电粒子的运动方向垂于所述光栅栅条的延伸方向；所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波与激发所述金属光栅生成的电磁波耦合形成太赫兹波段的电磁波。本发明技术方案可以提高太赫兹器件的输出功率以及能量效率。

Description

一种电磁波辐射系统以及方法
技术领域
本发明涉及电磁波辐射技术领域，更具体的说，涉及一种电磁波辐射系统以及方法。
背景技术
史密斯-帕赛尔(Smith-Purcell)辐射最初是由科学家Smith和Purcell实验发现。由于辐射频率与方向的密切相关，它可以作为束流诊断(测量粒子束团长度和能量)的重要手段，同时它的辐射频率几乎可以覆盖整个电磁波谱，可以发展成为一类重要的电磁辐射源，因此Smith-Purcell辐射自被发现之日起就是科学研究的一个热点课题。
尤其在近年来，利用Smith-Purcell辐射可以产生其它方式较难实现的电磁辐射，最典型就是太赫兹辐射(频率0.1-10THz)，基于Smith-Purcell效应的太赫兹器件得到了广泛研究，成为产生太赫兹辐射最有前景的方式之一。
但是传统Smith-Purcell中电磁波辐射的功率和效率都比较低，使得相关太赫兹器件的输出功率和能量效率都偏低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种电磁波辐射系统以及方法，可以提高太赫兹器件的输出功率以及能量效率。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电磁波辐射系统，所述电磁波辐射系统包括：
金属光栅，所述金属光栅具有金属基底，所述金属基底的表面设置有多个并行排布的沟槽，以在所述表面形成多个光栅栅条；
设置在所述光栅栅条表面的超材料膜层；
带电粒子发生器，所述带电粒子发生器用于产生预设初速度的带电粒子，所述带电粒子平行通过所述超材料膜层的表面，与所述超材料膜层的表面具有小于预设高度的间隙；
其中，所述带电粒子的运动方向垂于所述光栅栅条的延伸方向；所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波与激发所述金属光栅生成的电磁波耦合形成太赫兹波段的电磁波。
优选的，在上述电磁波辐射系统中，所述金属基底为铜基底、或是金基底、或是银基底。
优选的，在上述电磁波辐射系统中，所述间隙的高度小于0.1mm。
优选的，在上述电磁波辐射系统中，所述带电粒子的能量范围是20KeV-400KeV，包括端点值。
优选的，在上述电磁波辐射系统中，所述沟槽的深度范围是0.1mm-0.3mm，包括端点值；
所述沟槽的宽度范围是0.01mm-0.02mm，包括端点值；
相邻所述沟槽之间的中心距离范围是0.4mm-0.8mm，包括端点值。
优选的，在上述电磁波辐射系统中，所述太赫兹波段的电磁波的频率范围是0.2THz-0.5THz，包括端点值。
优选的，在上述电磁波辐射系统中，所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波的频率与激发所述金属光栅生成的电磁波的频率相同。
本发明还提供了一种电磁波辐射方法，所述电磁波辐射方法包括：
提供一金属光栅，所述金属光栅具有金属基底，所述金属基底的表面设置有多个并行排布的沟槽，以在所述表面形成多个光栅栅条；所述光栅栅条表面具有超材料膜层；
生成一具有预设初速度的带电粒子；
使得所述带电粒子平行通过所述超材料膜层，所述带电粒子平行通过所述超材料膜层的表面，与所述超材料膜层的表面具有小于预设高度的间隙；
其中，所述带电粒子的运动方向垂于所述光栅栅条的延伸方向；所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波与激发所述金属光栅生成的电磁波耦合形成太赫兹波段的电磁波。
优选的，在上述电磁波辐射方法中，所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波的频率与激发所述金属光栅生成的电磁波的频率相同。
优选的，在上述电磁波辐射方法中，所述太赫兹波段的电磁波的频率范围是0.2THz-0.5THz，包括端点值。
通过上述描述可知，本发明实施例提供的电磁波辐射系统以及方法中，通过带电粒子激发金属光栅以及超材料薄膜，使得所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波与激发所述金属光栅生成的电磁波耦合形成太赫兹波段的电磁波，这样所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波与激发所述金属光栅生成的电磁波耦合增强，所述电磁波辐射系统用于太赫兹器件时，可以提高太赫兹器件的输出功率以及能量效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电磁波辐射系统的结构示意图；
图2为图1所示电磁波辐射系统中具有超材料膜层的金属光栅的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种Smith-Purcell辐射的强度曲线对比图；
图4为本发明实施例提供的一种电磁波辐射方法的流程示意图；
图5-图8为本发明实施例提供的一种金属光栅的制作方法原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
史密斯-帕赛尔(Smith-Purcell)辐射是指匀速带电粒子在掠过周期性表面结构时激发的一种电磁波辐射，其在真空中的辐射波长与辐射方向呈如下关系：
式(1)中L为结构空间周期，β为带电粒子速度与真空光速的比值，n为负整数，θ为辐射方向与带电粒子运动方向的夹角。
发明人发现了一种特异Smith-Purcell辐射现象，它是由带电粒子激发矩形金属光栅中每个矩形槽中的谐振模式，这些谐振模式然后辐射到空间并在特定方向形成相干。对于所述特异Smith-Purcell辐射，金属光栅的每个矩形槽相当于一根辐射天线(一个辐射单元)，整个金属光栅形成一个天线阵列。辐射频率由每个辐射单元中激发的谐振模式决定，辐射方向则由带电粒子运动速度和频率共同决定且满足上述公式(1)描述的Smith-Purcell辐射关系。理论计算和数值仿真结果均显示，所述特异Smith-Purcell辐射比普通Smith-Purcell辐射的辐射强度高一到两个数量级，可以用来发展新型大功率高效率的电磁辐射源。
进一步的，发明人发现，通过在光栅的栅条表面增加超材料膜层，可以使得带电粒子激发超材料膜层的电磁波与激发金属光栅的电磁波耦合增加，进一步提高电磁波的辐射强度，基于此原理制作的太赫兹器件具有较高的输出功率以及能量效率。
以上是本申请的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。
基于上述思想，本申请实施例提供了一种电磁波辐射系统，参考图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种电磁波辐射系统的结构示意图，图2为图1所示电磁波辐射系统中具有超材料膜层的金属光栅的俯视图。
本发明实施例所述电磁波辐射系统包括：金属光栅2，所述金属光栅2具有金属基底，所述金属基底的表面设置有多个并行排布的沟槽5，以在所述表面形成多个光栅栅条7；设置在所述光栅栅条7表面的超材料膜层1；带电粒子发生器6，所述带电粒子发生器6用于产生预设初速度V的带电粒子3，所述带电粒子3平行通过所述超材料膜层1的表面，与所述超材料膜层1的表面具有小于预设高度H的间隙。
其中，所述带电粒子3的运动方向垂于所述光栅栅条7的延伸方向；所述带电粒子3激发所述超材料膜层1生成的电磁波与激发所述金属光栅2生成的电磁波耦合形成太赫兹波段的电磁波。所述太赫兹波段的电磁波的辐射方向为4。
在本发明实施例所述电磁波辐射系统，所述金属基底为铜基底、或是金基底、或是银基底。
可选的，所述间隙的高度H小于0.1mm。所述带电粒子3的能量范围是20KeV-400KeV，包括端点值。所述沟槽5的深度H2范围是0.1mm-0.3mm，包括端点值；所述沟槽的宽度L2范围是0.01mm-0.02mm，包括端点值。所述太赫兹波段的电磁波的频率范围是0.2THz-0.5THz，包括端点值。
所述金属光栅2的光栅周期L1等于所述光栅栅条7的宽度加上所述沟槽的宽度L2。所述超材料膜层1的厚度H1以及所述光栅周期L1可以根据需求设定。
为了使得所述太赫兹波段的电磁波强度最大，设置所述带电粒子3激发所述超材料膜层1生成的电磁波的频率与激发所述金属光栅2生成的电磁波的频率相同。可以通过调节所述带电粒子3的初速度V(通过控制带电粒子3的能量控制器其初速度V)、所述光栅的设计参数以及所述超材料膜层1的设计参数以控制所述太赫兹波段的电磁波的频率范围。其中，所述光栅的设计参数包括：所述沟槽5的深度H2、所述沟槽的宽度L2以及所述光栅周期L1；所述超材料膜层1的设计参数包括所述超材料膜层1的厚度、相对介电常数以及相对磁导率。
本发明实施例所述电磁辐射系统中，所述金属光栅2为矩形金属光栅，所述金属基底为矩形金属板。其中，所述沟槽5为矩形沟槽。所述金属光栅2中，每个光栅栅条7的表面均覆盖有形状一致的超材料膜层1，该超材料膜层1可以视为具有一定厚度H1的长方体。超材料膜层1包括多个与所述光栅栅条7一一对应的条形区域，每个条形区域与其下方的所述光栅栅条7边缘对其，所述条形区域相互平行，间隔分布，多个条形区域构成超材料薄膜阵列。
在三维直角坐标系XYZ中，矩形金属板平行于XY平面，光栅栅条的延伸方向平行于X轴，Z轴垂直于该矩形金属板。
在本发明实施例所述电磁辐射系统中，当一个匀速运动的带电粒子3在超材料膜层1的表面通过时，利用所述超材料膜层1与所述金属光栅2相互耦合产生增强的相干Smith-Purcell辐射现象，以生成具有较大强度的太赫兹波段的电磁波。
其中，所述超材料膜层1是人工制作的一种具有特定电磁性能的非天然材料。
所述超材料膜层1的相对介电常数ε可以由如下公式(2)表示：
所述超材料膜层1的相对磁导率μ可以由如下公式(3)表示：
在上述公式(2)和公式(3)中：ωpe表示等效等离子体电角频率，ω表示工作角频率，γe表示电碰撞频率，i为复数单位，F为比例常数，ωpm表示等效等离子体磁角频率，γm表示磁碰撞频率，ω0为磁谐振角频率。
在本发明实施例所述电磁辐射系统中，所述金属光栅2的设计参数是经过特定设计的，工作在特异Smith-Purcell辐射范围，其辐射电磁波的频率是单一的，辐射电磁波的方向是特定的。
所述金属光栅2实现所述特异Smith-Purcell辐射的原理是由于所述金属光栅2中的每个沟槽5是一个开放的谐振腔，即相当于一个辐射单元，整个光栅构成一系列开放谐振腔形成的阵列。通过所述金属光栅2能够实现所述特异Smith-Purcell辐射的原理，可以使得带电粒子3激发所述金属光栅2产生的电磁波的强度相对于传统方式大大提高。再通过在光栅栅条7表面增加超材料膜层1，通过带电粒子3激发所述超材料膜层1产生的电磁波和带电粒子3激发所述金属光栅2产生的电磁波形成增强型耦合，可以进一步提高该电磁波辐射系统出射电磁波的强度，相对于只采用金属光栅实现所述特异Smith-Purcell辐射方式，辐射强度进一步提高。
本发明实施例所述电磁波辐射系统为增强型Smith-Purcell辐射，相对于特异Smith-Purcell辐射，辐射电磁波的强度要提高一个数量级，相比于普通的Smith-Purcell辐射，辐射电磁波的强度要提高两个数量级。
下面结合具体的对比实验例，说明本发明实施例所述电磁波辐射系统可以大幅度提高辐射强度的有益效果。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种Smith-Purcell辐射的强度曲线对比图，其中，本发明实施例所述辐射系统的设计参数下述所述。
本发明实施例所述辐射系统的中，上述超材料膜层1的设计参数如下：
ωpe＝2π×500×109
ωpm＝2π×219×109
γe＝1010
γm＝1010
F＝0.5
H1＝0.05mm
本发明实施例所述辐射系统的中，上述所述金属光栅2采用铜制备而成，其设计参数如下：
L1＝0.5mm
H2＝0.2mm
L2＝0.01mm
本发明实施例所述辐射系统的中，上述带电粒子3的能量为100KeV。
在图3中，另外两个对比实验例分别是无金属光栅的普通的Smith-Purcell辐射，以及有金属光栅无超材料薄膜的特异Smith-Purcell辐射，由图3可知，在图3所示仿真实验结果中可以看到，本发明技术方案对应的增强型Smith-Purcell辐射出射的电磁波的电场强度提高了3到4倍，也就是说辐射功率提高了大约10倍，增加了一个数量级。
通过上述描述可知，本发明实施例所述电磁波辐射系统中，通过一个匀速运动的带电粒子3在超材料膜层1的表面通过时，利用所述超材料膜层1与所述金属光栅2相互耦合产生增强的相干Smith-Purcell辐射现象，以生成具有较大强度的太赫兹波段的电磁波，可以大大提高辐射电磁波的强度，基于该辐射系统构成的太赫兹器件具有较高的输出功率以及能量效率。
基于上述电磁波辐射系统，本发明另一实施例还提供了一种电磁波辐射方法，该电磁波辐射方法如图4所示。
参考图4，图4为本发明实施例提供的一种电磁波辐射方法的流程示意图，该电磁波辐射方法用于上述电磁波辐射系统，所述电磁波辐射方法包括：
步骤S11：提供一金属光栅。
所述金属光栅的结构可以参考上述实施例所述，所述金属光栅具有金属基底，所述金属基底的表面设置有多个并行排布的沟槽，以在所述表面形成多个光栅栅条。
其中，所述光栅栅条表面具有超材料膜层。
所述金属光栅的制作方法可以如图5-图8所示。
参考图5-图8，图5-图8为本发明实施例提供的一种金属光栅的制作方法原理示意图，该方法包括：
首先，如图5和图6所示，提供一金属基板20。所述金属基板20为矩形金属板。可以为铜金属板、银金属板或是金金属板。
然后，如图7和图8所示，在所述金属板20的表面形成一层超材料膜层1。
最后，图案化所述超材料膜层1以及所述金属板20，形成多个平行平布的矩形沟槽，所述矩形沟槽的深度大于所述超材料膜层1的厚度，且未贯穿所述金属基板20。
可以通过机械切割或是刻蚀工艺形成所述沟槽。
步骤S12：生成一具有预设初速度的带电粒子。
可以通过上述带电粒子发生器出射具有预设初速度的带电粒子。
步骤S13：使得所述带电粒子平行通过所述超材料膜层，所述带电粒子平行通过所述超材料膜层的表面，与所述超材料膜层的表面具有小于预设高度的间隙。
其中，所述带电粒子的运动方向垂于所述光栅栅条的延伸方向；所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波与激发所述金属光栅生成的电磁波耦合形成太赫兹波段的电磁波。
在所述电磁波辐射方法中，所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波的频率与激发所述金属光栅生成的电磁波的频率相同，以使得可以最大幅度的实现耦合增强，提高辐射强度。
本发明实施例所述电磁波辐射方法中，所述太赫兹波段的电磁波的频率范围是0.2THz-0.5THz，包括端点值。
可以通过上述实施例所述的电磁波辐射系统实现本发明实施例所述电磁波辐射方法。在所述电磁波辐射方法中，利用匀速运动的带电粒子3在超材料膜层1的表面通过时，利用所述超材料膜层1与所述金属光栅2相互耦合产生增强的相干Smith-Purcell辐射现象，以生成具有较大强度的太赫兹波段的电磁波。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的所述电磁波辐射方法而言，由于其与实施例公开的所述电磁波辐射系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见所述电磁波辐射系统相应部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电磁波辐射系统，其特征在于，所述电磁波辐射系统包括：
金属光栅，所述金属光栅具有金属基底，所述金属基底的表面设置有多个并行排布的沟槽，以在所述表面形成多个光栅栅条；
设置在所述光栅栅条表面的超材料膜层；
带电粒子发生器，所述带电粒子发生器用于产生预设初速度的带电粒子，所述带电粒子平行通过所述超材料膜层的表面，与所述超材料膜层的表面具有小于预设高度的间隙；
其中，所述带电粒子的运动方向垂于所述光栅栅条的延伸方向；所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波与激发所述金属光栅生成的电磁波耦合形成太赫兹波段的电磁波。
2.根据权利要求1所述的电磁波辐射系统，其特征在于，所述金属基底为铜基底、或是金基底、或是银基底。
3.根据权利要求1所述的电磁波辐射系统，其特征在于，所述间隙的高度小于0.1mm。
4.根据权利要求1所述的电磁波辐射系统，其特征在于，所述带电粒子的能量范围是20KeV-400KeV。
5.根据权利要求1所述的电磁波辐射系统，其特征在于，所述沟槽的深度范围是0.1mm-0.3mm；
所述沟槽的宽度范围是0.01mm-0.02mm；
相邻所述沟槽之间的中心距离范围是0.4mm-0.8mm。
6.根据权利要求1所述的电磁波辐射系统，其特征在于，所述太赫兹波段的电磁波的频率范围是0.2THz-0.5THz。
7.根据权利要求1所述的电磁波辐射系统，其特征在于，所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波的频率与激发所述金属光栅生成的电磁波的频率相同。
8.一种电磁波辐射方法，其特征在于，所述电磁波辐射方法包括：
提供一金属光栅，所述金属光栅具有金属基底，所述金属基底的表面设置有多个并行排布的沟槽，以在所述表面形成多个光栅栅条；所述光栅栅条表面具有超材料膜层；
生成一具有预设初速度的带电粒子；
使得所述带电粒子平行通过所述超材料膜层，所述带电粒子平行通过所述超材料膜层的表面，与所述超材料膜层的表面具有小于预设高度的间隙；
其中，所述带电粒子的运动方向垂于所述光栅栅条的延伸方向；所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波与激发所述金属光栅生成的电磁波耦合形成太赫兹波段的电磁波。
9.根据权利要求8所述的电磁波辐射方法，其特征在于，所述带电粒子激发所述超材料膜层生成的电磁波的频率与激发所述金属光栅生成的电磁波的频率相同。
10.根据权利要求8所述的电磁波辐射方法，其特征在于，所述太赫兹波段的电磁波的频率范围是0.2THz-0.5THz。
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