CN108808426B - 一种基于光子晶体与光栅组合的逆Smith-Purcell辐射源及产生方法 - Google Patents

一种基于光子晶体与光栅组合的逆Smith-Purcell辐射源及产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith‑Purcell辐射源及产生方法，逆Smith‑Purcell辐射源的结构包括电子枪、金属光栅和光子晶体，所述的电子枪设置在金属光栅一侧、所述的光子晶体设置在金属光栅的另外一侧，所述的光子晶体具有负折射特性。本发明将光子晶体与光栅结合，利用光子晶体负折射的特性，实现逆Smith‑Purcell(SP)辐射的作用，建立新型的太赫兹辐射源。

Description

一种基于光子晶体与光栅组合的逆Smith-Purcell辐射源及 产生方法
技术领域
本发明属于真空电子学技术领域，具体涉及一种基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith-Purcell辐射源。
背景技术
太赫兹波所处频段的特殊(介于光波与微波之间)，其产生方法可以分为两大类：电子学方法与光学方法。通过电子学方法获得的太赫兹源(如电子回旋管、反波管等)由于转换效率高，但只能产生太赫兹频段中的较低频段，调谐范围有限，难以用于产生高频段的太赫兹波。光学方法多采用参量振荡或差频的形式获得太赫兹波，如太赫兹气体激光器、光整流效应的THz波辐射源等，虽然相干性比好，可以产生1THz以上的太赫兹波，但太赫兹波功率较前者比较低。
发明内容
本发明为了提高THz辐射源的频率可调性，提高辐射波收集效率，减小辐射源体积，提供一种基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith-Purcell辐射源及逆Smith-Purcell辐射源的产生方法，把光子晶体与光栅结合，利用光子晶体负折射的特性，实现逆Smith-Purcell(SP)辐射的作用，建立新型的太赫兹辐射源。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith-Purcell辐射源，包括电子枪、金属光栅和光子晶体，所述的电子枪设置在金属光栅一侧、所述的光子晶体设置在金属光栅的另外一侧，所述的光子晶体具有负折射特性。
进一步地，所述的光子晶体为空气柱三角排列的结构。
更进一步地，所述的光子晶体的晶格常数a为630um，空气柱半径为0.45a。
进一步地，所述的金属光栅周期为118um，高100um，占空比为1:1。
进一步地，所述的光子晶体与光栅的厚度为500um，光子晶体与光栅之间的距离为375um。
本发明还提供一种逆Smith-Purcell辐射源的产生方法，包括：
首先利用SP公式
Figure BDA0001643977030000021
计算出对应结构的SP频率范围，SP公式中，L为光栅周期，β为电子相对论速度与光速的壁纸，θ为观测点与电子运动方向的夹角，n为谐波次数；
再使用平面波展开法理论计算出光子晶体的能带结构与等频图，平面波展开在TM波的本征方程为：
Figure BDA0001643977030000022
其中k//＝kxex+kyey，G//＝b1ex+b2ey，
Figure BDA0001643977030000023
为傅立叶展开系数，A(k//|G//)为列向量，k//为波矢，本征方程的左边为一个关于对角线对称的正定矩阵，因此本征方程的所有特征根全部是正数，将
Figure BDA0001643977030000031
看成是左边矩阵的特征根λ，所以
Figure BDA0001643977030000032
通过光子晶体的能带结构与等频图找出能够满足在SP频率范围内群速与波矢方向相反的部分，vg·k<0，即光子晶体中能够实现负折射的部分，再把具有负折射性质的光子晶体与光栅相结合，实现逆SP现象。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明把光栅和具有光子晶体结合，利用光子晶体的负折射的性质，通过光子晶体的色散特性和等频图等调制光子晶体的参数，把光子晶体的负折射频段与光栅自发辐射产生的SP频率相匹配，得到逆向的SP辐射；把逆SP辐射进一步调制、收集，成为新型的辐射源。光子晶体与电子柱分别分布在光栅的两侧，可以防止电子柱与光子晶体的直接接触，以免电子柱直接激发光子晶体的SP辐射。
附图说明
图1是本发明的基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith-Purcell辐射源的结构简图；
图2是本发明的SP在光子晶体结构中的传播示意图。
附图标记：1-电子枪，2-光栅，3-光子晶体，4-电子注。
具体实施方式
参照图1，图2，本发明的逆Smith-Purcell辐射源的结构由电子枪1、金属光栅2和光子晶体3组成，电子枪产生的电子注4，电子枪1与光子晶体3分别在金属光栅2的两侧。本结构中，光子晶体3为空气柱三角排列的光子晶体，光子晶体3晶格常数a为630um，空气柱半径为0.45*a。金属光栅2周期为118um，高100um，占空比为1：1。光子晶体3与金属光栅2的厚度都为500um，光子晶体3与金属光栅2之前的距离为375um。电子枪1电压为3kv。电子枪1发射的电子注4在金属光栅2表面产生自发的非相干的Smith-Purcell辐射，SP辐射通过金属光栅2的孔漏到金属光栅2的另一边进入光子晶体3内部。在光子晶体3中，在某些特殊的频率段，由于材料的折射率经过周期性排列对入射电磁波的周期性调制，电磁波在光子晶体中传播的相速度方向和群速度方向可能相反，从而有了负折射介质的特性。SP在具有这种负折射特性的光子晶体内翻转，高频变为低频，低频转变为高频，实现逆Smith-Purcell辐射现象。
本发明的逆Smith-Purcell辐射源的结构能够实现毫米波、亚毫米波、太赫兹波段的逆Smith-Purcell辐射。
本发明的逆Smith-Purcell辐射源的产生方法，包括：
首先利用SP公式
Figure BDA0001643977030000041
计算出对应结构的SP频率范围，SP公式中，L为光栅周期，β为电子相对论速度与光速的壁纸，θ为观测点与电子运动方向的夹角，n为谐波次数；
再使用平面波展开法理论计算出光子晶体的能带结构与等频图，平面波展开在TM波的本征方程为：
Figure BDA0001643977030000051
其中k//＝kxex+kyey，G//＝b1ex+b2ey，
Figure BDA0001643977030000052
为傅立叶展开系数，A(k//|G//)为列向量，k//为波矢，本征方程的左边为一个关于对角线对称的正定矩阵，因此本征方程的所有特征根全部是正数，将
Figure BDA0001643977030000053
看成是左边矩阵的特征根λ，所以
Figure BDA0001643977030000054
通过光子晶体的能带结构与等频图找出能够满足在SP频率范围内群速与波矢方向相反的部分，vg·k<0，即光子晶体中能够实现负折射的部分，再把具有负折射性质的光子晶体与光栅相结合，实现逆SP现象。
如图2所示，SP在结构中的传播示意图，x轴代表光栅位置，O点为电子此时所在位置，电子运动方向从左至右。x轴上半空间为光子晶体部分，下半空间为真空部分。下半空间为正常SP辐射，可以看出频率由电子运动方向由前至后频率由高变低，符合SP公式。上半空间为光子晶体中非寻常的SP辐射，体现为由电子运动方向由前至后频率由中频至低频，再由高频至低频，体现为非寻常的逆SP辐射。本结构能够实现逆SP辐射以达到高效的收集SP，进而加工发展为新型SP的THz辐射源。

Claims (6)

1.一种基于光子晶体与光栅组合的逆Smith-Purcell辐射源，包括电子枪、金属光栅和光子晶体，所述的电子枪设置在金属光栅一侧、所述的光子晶体设置在金属光栅的另外一侧，其特征在于，所述的光子晶体具有负折射特性。
2.根据权利要求1所述的逆Smith-Purcell辐射源，其特征在于，所述的光子晶体为空气柱三角排列的结构。
3.根据权利要求2所述的逆Smith-Purcell辐射源，其特征在于，所述的光子晶体的晶格常数a为630um，空气柱半径为0.45a。
4.根据权利要求1所述的逆Smith-Purcell辐射源，其特征在于，所述的金属光栅周期为118um，高100um，占空比为1:1。
5.根据权利要求1所述的逆Smith-Purcell辐射源，其特征在于，所述的光子晶体与光栅的厚度为500um，光子晶体与光栅之间的距离为375um。
6.一种利用如权利要求1-5任意一项所述的基于光子晶体与光栅组合的逆Smith-Purcell辐射源的逆Smith-Purcell辐射源的产生方法，其特征在于，包括：
首先利用SP公式
Figure FDA0002242283950000011
计算出对应结构的SP频率范围，SP公式中，L为光栅周期，β为电子相对论速度与光速的比值，θ为观测点与电子运动方向的夹角，n为谐波次数；
再使用平面波展开法理论计算出光子晶体的能带结构与等频图，平面波展开在TM波的本征方程为：
Figure FDA0002242283950000021
其中k//＝kxex+kyey，G//＝b1ex+b2ey，
Figure FDA0002242283950000022
为傅立叶展开系数，A(k//|G//)为列向量，k//为波矢，本征方程的左边为一个关于对角线对称的正定矩阵，因此本征方程的所有特征根全部是正数，将
Figure FDA0002242283950000023
看成是左边矩阵的特征根λ，所以
Figure FDA0002242283950000024
通过光子晶体的能带结构与等频图找出能够满足在SP频率范围内群速与波矢方向相反的部分，vg·k<0，即光子晶体中能够实现负折射的部分，再把具有负折射性质的光子晶体与光栅相结合，实现逆SP现象。
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