CN108711678B - 一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法 - Google Patents

一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法，其中，所述电磁波辐射系统的金属板表面具有多个矩形孔，每个所述矩形孔中存在一系列特定的谐振模式，多个所述矩形孔沿预设双曲线排布；当利用电子注发射设备向所述金属板的上方平行发射预设电子注时，所述预设电子注将每个所述矩形孔中的谐振模式激励起来，这些谐振模式将在金属板的上半空间产生辐射电磁波，这些辐射电磁波在金属板的上半空间内的预设固定点产生相干叠加，也就是形成汇聚，使得该点处的辐射场强显著增强，实现了无需采用光学元件即可对出射的电磁波进行汇聚的目的，避免了光学元件在汇聚电磁波的过程中出现损耗而导致电磁波路径衰减的情况出现。

Description

一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法
技术领域
本申请涉及电磁技术领域，更具体地说，涉及一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法。
背景技术
在现代光学领域的各种实际应用中，通常需要利用各种光学元件设计不同的光路实现光源产生的光或电磁波的汇聚，以实现光或电磁波在目标靶上的汇聚，从而实现能量的最大化利用。
但是这些光路的搭建需要利用光学透镜或反射镜实现对电磁波或光线的汇聚，在这个过程中这些光学元件的损耗通常难以避免，尤其对于太赫兹频段的电磁波而言，光学元件会对电磁波造成更为明显的损耗，而光学元件的损耗是导致电磁波路径衰减的主要来源。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法，以实现产生汇聚电磁波，从而实现无需采用光学元件对出射的电磁波进行汇聚的目的，避免了光学元件在汇聚电磁波的过程中出现损耗而导致电磁波路径衰减的情况出现。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种电磁波辐射系统，包括：电子注发射设备和金属板；其中，
所述金属板表面具有多个矩形孔，多个所述矩形孔沿预设曲线排布，所述预设曲线满足预设双曲线方程；
所述电子注发射设备用于向所述金属板发射预设电子注，所述预设电子注的发射方向与所述金属板表面平行，以使所述预设电子注激励每个所述矩形孔中的谐振模式以产生辐射电磁波，并使所有所述辐射电磁波在所述金属板朝向所述预设电子注一侧的预设固定点产生相干叠加，以在金属板朝向所述预设电子注一侧形成汇聚电磁波；
所述预设双曲线方程的表达式为：
Figure GDA0002410352720000021
其中，
Figure GDA0002410352720000022
Figure GDA0002410352720000023
c表示真空中光速；β表示真空状态下预设电子注中粒子速度与光速的比值；T表示从预设电子注出射到产生的辐射电磁波到达所述预设固定点经历的时间；Z0表示所述预设固定点在所述金属板上的正投影距离所述金属板的预设边的距离，所述预设边靠近所述电子注发射设备且所述预设边的延伸方向垂直于所述预设电子注的发射方向；H0表示所述预设固定点距离所述金属板表面的距离。
可选的，所述预设电子注中的粒子从出射到产生的辐射电磁波到达所述预设固定点经历的时间满足第一预设公式；
所述第一预设公式为：
Figure GDA0002410352720000024
其中，t1表示所述预设电子注从出射到激励所述矩形孔所经历的时间；t2表示产生的辐射电磁波到达预设固定点经历的时间；ve表示所述预设电子注中的粒子的速度；y表示所述矩形孔距离所述金属板的预设线段的距离，所述预设线段垂直于所述预设边，且所述预设固定点在所述金属板上的正投影位于所述预设线段上；z表示所述矩形孔距离所述金属板的预设边的距离。
可选的，所述矩形孔沿平行于所述金属板表面的平面的截面形状为矩形；
所述矩形沿预设电子注发射方向延伸的边为短边，所述矩形垂直于预设电子注发射方向延伸的边为长边。
可选的，所述长边与短边的比值大于或等于10。
可选的，所述汇聚电磁波的波长与所述短边的长度的比值大于或等于20。
一种电磁波辐射方法，包括：
提供电磁波辐射系统；所述电磁波辐射系统为上述任一项所述的电磁波辐射系统；
利用所述电子注发射设备向所述金属板发射预设电子注，所述预设电子注的发射方向与所述金属板的表面平行，以在预设固定点形成汇聚电磁波。
可选的，所述利用所述电子注发射设备向所述金属板发射预设电子注，以在预设固定点形成汇聚电磁波包括：
所述预设电子注激励每个所述矩形孔中的谐振模式，以产生辐射电磁波；
所有所述辐射电磁波在所述金属板朝向所述预设电子注一侧的预设固定点产生相干叠加，以在金属板朝向所述预设电子注一侧形成汇聚电磁波。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法，其中，所述电磁波辐射系统的金属板表面具有多个矩形孔，每个所述矩形孔中存在一系列特定的谐振模式，多个所述矩形孔沿预设曲线排布，所述预设曲线满足预设双曲线方程；当利用电子注发射设备向所述金属板的上方平行发射预设电子注时，所述预设电子注将每个所述矩形孔中的谐振模式激励起来，这些谐振模式将在金属板的上半空间产生辐射电磁波，这些辐射电磁波在金属板的上半空间内的预设固定点产生相干叠加，也就是形成汇聚，使得该点处的辐射场强显著增强，实现了无需采用光学元件即可对出射的电磁波进行汇聚的目的，避免了光学元件在汇聚电磁波的过程中出现损耗而导致电磁波路径衰减的情况出现。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，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为本申请的一个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沿AA’线的剖面结构示意图；
图3为本申请的一个实施例提供的一种金属板的俯视结构示意图；
图4为本申请的一个具体实施例对电磁波辐射系统仿真得到的在会聚平面上的场强分布图；
图5为本申请的一个实施例提供的一种电磁波辐射方法的流程示意图；
图6为本申请的另一个实施例提供的一种电磁波辐射方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种电磁波辐射系统，如图1所示，包括：电子注发射设备(附图中未示出)和金属板20；其中，
所述金属板20表面具有多个矩形孔21，多个所述矩形孔21沿预设曲线HY排布，所述预设曲线HY满足预设双曲线方程；
所述电子注发射设备用于向所述金属板20发射预设电子注10，所述预设电子注10的发射方向与所述金属板20表面平行，以使所述预设电子注10激励每个所述矩形孔21中的谐振模式，并使所有所述辐射电磁波在所述金属板20朝向所述预设电子注10一侧的预设固定点SP产生相干叠加，以在金属板20朝向所述预设电子注10一侧形成汇聚电磁波；
所述预设双曲线方程的表达式为：
Figure GDA0002410352720000041
其中，
Figure GDA0002410352720000042
Figure GDA0002410352720000043
c表示真空中光速；β表示真空状态下预设电子注10中粒子速度与光速的比值；T表示从预设电子注10出射到产生的辐射电磁波到达所述预设固定点SP经历的时间；Z0表示所述预设固定点SP在所述金属板20上的正投影距离所述金属板20的预设边的距离，所述预设边靠近所述电子注发射设备且所述预设边的延伸方向垂直于所述预设电子注10的发射方向；H0表示所述预设固定点SP距离所述金属板20表面的距离。
从图1中可以看出，预设曲线HY穿过排布于所述金属板20上的所有矩形孔21，以使所述矩形孔21中存在特定的谐振模式；在图1中的坐标系是以预设电子注10的运动方向为z轴正向建立的右手坐标系xyz，预设固定点SP在所述金属板20上的正投影与该坐标系的坐标原点的连线位于该坐标系的z轴上；因此，所述预设固定点SP在该坐标系中的坐标可以表示为(x，0，z)。
参考图2，图2为图1沿AA’线的剖面结构示意图；从图2中可以看出，所述电子注发射设备出射的预设电子注10的截面形状为长宽比较大的矩形，这样可以使得更多的预设电子注10可以参与到激励排布于所述金属板20上的矩形孔21的作用中来，避免电子注发射设备出射的预设电子注10的过多浪费。
所述电磁波辐射系统的金属板20表面具有多个矩形孔21，每个所述矩形孔21中存在一系列特定的谐振模式，多个所述矩形孔21沿预设曲线HY排布；当利用电子注发射设备向所述金属板20的上方平行发射预设电子注时，所述预设电子注将每个所述矩形孔21中的谐振模式激励起来，这些谐振模式将在金属板20的上半空间产生辐射电磁波，这些辐射电磁波在金属板20的上半空间内的预设固定点SP产生相干叠加，也就是形成汇聚，使得该点处的辐射场强显著增强，实现了无需采用光学元件即可对出射的电磁波进行汇聚的目的，避免了光学元件在汇聚电磁波的过程中出现损耗而导致电磁波路径衰减的情况出现。
所述预设电子注10从出射，到激发所述矩形孔21中的谐振模式产生辐射电磁波，再到所述辐射电磁波进行相干叠加并在预设固定点SP处形成汇聚电磁波的过程可以用第一预设公式，即所述预设电子注中的粒子从出射到产生的辐射电磁波到达所述预设固定点经历的时间满足第一预设公式；
所述第一预设公式为：
Figure GDA0002410352720000051
其中，t1表示所述预设电子注10从出射到激励所述矩形孔21所经历的时间；t2表示产生的辐射电磁波到达预设固定点SP经历的时间；ve表示所述预设电子注10中的粒子的速度；y表示所述矩形孔21距离所述金属板20的预设线段的距离，所述预设线段垂直于所述预设边，且所述预设固定点SP在所述金属板20上的正投影位于所述预设线段上；z表示所述矩形孔21距离所述金属板20的预设边的距离。
即预设电子注10激励每一个所述矩形孔21的时间加上谐振模式从矩形孔21到达预设固定点SP的时间的和为一个常数。
从第一预设公式和所述预设曲线HY的方程表达式中可以看出，我们可以通过选择不同的预设固定点SP的坐标(Z0和H0的取值)来确定所述矩形孔21的排布方式(预设双曲线方程的表达式)，从而实现在不同位置获得汇聚电磁波的目的。
另外，需要说明的是，每个所述矩形孔21中被激发出的辐射电磁波的频率完全取决于所述矩形孔21中的谐振模式对应的谐振频率，因此最终产生的汇聚电磁波的频率也是特定的频率。
在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，如图3所示，图3为所述金属板20的俯视结构示意图；所述矩形孔21沿平行于所述金属板20表面的平面的截面形状为矩形；
所述矩形沿预设电子注10发射方向延伸的边为短边，所述矩形垂直于预设电子注10发射方向延伸的边为长边。
优选的，所述长边与短边的比值大于或等于10。
优选的，所述汇聚电磁波的波长与所述短边的长度的比值大于或等于20。
为了对本申请实施例提供的电磁波辐射系统的效果进行验证，本申请的一个具体实施例给出了一种具体实施参数和仿真结果。
在本实施例中，所述金属板20的厚度为0.5mm；矩形孔21长边尺寸为0.5mm，窄边尺寸为0.05mm，预设固定点SP的坐标设定为(6mm，0，8mm)；预设电子注10的电子能量为5千电子伏特；仿真结构参考图4，图4给出了仿真得到的会聚平面z＝Z0＝8mm上的场强分布图，从图4中可以看到，辐射场在空间明显会聚于所述预设固定点SP。
综上所述，本申请实施例提供了一种电磁波辐射系统，所述电磁波辐射系统的金属板20表面具有多个矩形孔21，每个所述矩形孔21中存在一系列特定的谐振模式，多个所述矩形孔21沿预设曲线HY排布；当利用电子注发射设备向所述金属板20的上方平行发射预设电子注时，所述预设电子注将每个所述矩形孔21中的谐振模式激励起来，这些谐振模式将在金属板20的上半空间产生辐射电磁波，这些辐射电磁波在金属板20的上半空间内的预设固定点SP产生相干叠加，也就是形成汇聚，使得该点处的辐射场强显著增强，实现了无需采用光学元件即可对出射的电磁波进行汇聚的目的，避免了光学元件在汇聚电磁波的过程中出现损耗而导致电磁波路径衰减的情况出现。
相应的，本申请实施例还提供了一种电磁波辐射方法，如图5所示，所述电磁波辐射方法包括：
S101：提供电磁波辐射系统；所述电磁波辐射系统为上述任一实施例所述的电磁波辐射系统；
S102：利用所述电子注发射设备向所述金属板发射预设电子注，所述预设电子注的发射方向与所述金属板的表面平行，以在预设固定点形成汇聚电磁波。
需要说明的是，所述预设双曲线方程的表达式为：
Figure GDA0002410352720000071
其中，
Figure GDA0002410352720000072
Figure GDA0002410352720000073
c表示真空中光速；β表示真空状态下预设电子注中粒子速度与光速的比值；T表示从预设电子注出射到产生的辐射电磁波到达所述预设固定点经历的时间；Z0表示所述预设固定点在所述金属板上的正投影距离所述金属板的预设边的距离，所述预设边靠近所述电子注发射设备且所述预设边的延伸方向垂直于所述预设电子注的发射方向；H0表示所述预设固定点距离所述金属板表面的距离。
所述电磁波辐射系统的具体结构参考图1，从图1中可以看出，预设双曲线穿过排布于所述金属板上的所有矩形孔，以使所述矩形孔中存在特定的谐振模式；在图1中的坐标系是以预设电子注的运动方向为z轴正向建立的右手坐标系xyz，预设固定点在所述金属板上的正投影与该坐标系的坐标原点的连线位于该坐标系的z轴上；因此，所述预设固定点在该坐标系中的坐标可以表示为(x，0，z)。
参考图2，图2为图1沿AA’线的剖面结构示意图；从图2中可以看出，所述电子注发射设备出射的预设电子注的截面形状为长宽比较大的矩形，这样可以使得更多的预设电子注可以参与到激励排布于所述金属板上的矩形孔的作用中来，避免电子注发射设备出射的预设电子注的过多浪费。
所述电磁波辐射系统的金属板表面具有多个矩形孔，且多个所述矩形孔沿预设曲线排布，所述预设曲线满足预设双曲线方程，以使多个所述矩形孔中存在一系列特定的谐振模式；当利用电子注发射设备向所述金属板发射预设电子注时，所述预设电子注将每个所述矩形孔中的谐振模式激励起来产生辐射电磁波，这些被激励起来的辐射电磁波依次辐射到金属板朝向所述预设电子注一侧的空间内，当从所有所述矩形孔中产生的辐射电磁波同时到达该空间内的预设固定点时，这些辐射电磁波产生相干叠加，使得该点处的辐射场强显著增强，而其他空间点处不满足相干条件，辐射电磁波产生相消叠加，辐射场强明显降低，从而在预设固定点处形成了汇聚电磁波，进而实现了无需采用光学元件对出射的电磁波进行汇聚的目的，避免了光学元件在汇聚电磁波的过程中出现损耗而导致电磁波路径衰减的情况出现。
所述预设电子注从出射，到激发所述矩形孔中的谐振模式产生辐射电磁波，再到所述辐射电磁波进行相干叠加并在预设固定点处形成汇聚电磁波的过程可以用第一预设公式表示：
所述第一预设公式为：
Figure GDA0002410352720000081
其中，t1表示所述预设电子注从出射到激励所述矩形孔所经历的时间；t2表示产生的辐射电磁波到达预设固定点经历的时间；ve表示所述预设电子注中的粒子的速度；y表示所述矩形孔距离所述金属板的预设线段的距离，所述预设线段垂直于所述预设边，且所述预设固定点在所述金属板上的正投影位于所述预设线段上；z表示所述矩形孔距离所述金属板的预设边的距离。
即预设电子注激励每一个所述矩形孔的时间加上谐振模式从矩形孔到达预设固定点的时间的和为一个常数。
从第一预设公式和所述预设双曲线的方程表达式中可以看出，我们可以通过选择不同的预设固定点的坐标(Z0和H0的取值)来确定所述矩形孔的排布方式(预设双曲线的方程表达式)，从而实现在不同位置获得汇聚电磁波的目的。
另外，需要说明的是，每个所述矩形孔中被激发出的辐射电磁波的频率完全取决于所述矩形孔中的谐振模式对应的谐振频率，因此最终产生的汇聚电磁波的频率也是特定的频率。
在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，如图6所示，所述电磁波辐射方法包括：
S201：提供电磁波辐射系统；
S202：利用所述电子注发射设备向所述金属板发射预设电子注；
S203：所述预设电子注激励每个所述矩形孔中的谐振模式，以产生辐射电磁波；
S204：所有所述辐射电磁波在所述金属板朝向所述预设电子注一侧的预设固定点产生相干叠加，以在金属板朝向所述预设电子注一侧形成汇聚电磁波。
综上所述，本申请实施例提供了一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法，其中，所述电磁波辐射系统的金属板表面具有多个矩形孔，每个所述矩形孔中存在一系列特定的谐振模式，多个所述矩形孔沿预设曲线排布，所述预设曲线满足预设双曲线方程；当利用电子注发射设备向所述金属板的上方平行发射预设电子注时，所述预设电子注将每个所述矩形孔中的谐振模式激励起来，这些谐振模式将在金属板的上半空间产生辐射电磁波，这些辐射电磁波在金属板的上半空间内的预设固定点产生相干叠加，也就是形成汇聚，使得该点处的辐射场强显著增强，实现了无需采用光学元件即可对出射的电磁波进行汇聚的目的，避免了光学元件在汇聚电磁波的过程中出现损耗而导致电磁波路径衰减的情况出现。
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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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 (7)

1.一种电磁波辐射系统，其特征在于，包括：电子注发射设备和金属板；其中，
所述金属板表面具有多个矩形孔，多个所述矩形孔沿预设曲线排布，所述预设曲线满足预设双曲线方程；
所述电子注发射设备用于向所述金属板发射预设电子注，所述预设电子注的发射方向与所述金属板表面平行，以使所述预设电子注激励每个所述矩形孔中的谐振模式以产生辐射电磁波，并使所有所述辐射电磁波在所述金属板朝向所述预设电子注一侧的预设固定点产生相干叠加，以在金属板朝向所述预设电子注一侧形成汇聚电磁波；
所述预设双曲线方程的表达式为：
Figure FDA0002410352710000011
其中，
Figure FDA0002410352710000012
Figure FDA0002410352710000013
c表示真空中光速；β表示真空状态下预设电子注中粒子速度与光速的比值；T表示从预设电子注出射到产生的辐射电磁波到达所述预设固定点经历的时间；Z0表示所述预设固定点在所述金属板上的正投影距离所述金属板的预设边的距离，所述预设边靠近所述电子注发射设备且所述预设边的延伸方向垂直于所述预设电子注的发射方向；H0表示所述预设固定点距离所述金属板表面的距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设电子注中的粒子从出射到产生的辐射电磁波到达所述预设固定点经历的时间满足第一预设公式；
所述第一预设公式为：
Figure FDA0002410352710000014
其中，t1表示所述预设电子注从出射到激励所述矩形孔所经历的时间；t2表示产生的辐射电磁波到达预设固定点经历的时间；ve表示所述预设电子注中的粒子的速度；y表示所述矩形孔距离所述金属板的预设线段的距离，所述预设线段垂直于所述预设边，且所述预设固定点在所述金属板上的正投影位于所述预设线段上；z表示所述矩形孔距离所述金属板的预设边的距离。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述矩形孔沿平行于所述金属板表面的平面的截面形状为矩形；
所述矩形沿预设电子注发射方向延伸的边为短边，所述矩形垂直于预设电子注发射方向延伸的边为长边。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述长边与短边的比值大于或等于10。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述汇聚电磁波的波长与所述短边的长度的比值大于或等于20。
6.一种电磁波辐射方法，其特征在于，包括：
提供电磁波辐射系统；所述电磁波辐射系统为权利要求1-5任一项所述的电磁波辐射系统；
利用所述电子注发射设备向所述金属板发射预设电子注，所述预设电子注的发射方向与所述金属板的表面平行，以在预设固定点形成汇聚电磁波。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用所述电子注发射设备向所述金属板发射预设电子注，以在预设固定点形成汇聚电磁波包括：
所述预设电子注激励每个所述矩形孔中的谐振模式，以产生辐射电磁波；
所有所述辐射电磁波在所述金属板朝向所述预设电子注一侧的预设固定点产生相干叠加，以在金属板朝向所述预设电子注一侧形成汇聚电磁波。
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