CN109904048A - 一种太赫兹辐射的激发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹辐射的激发方法，包括以下步骤：步骤1：将电子束与高密度等离子体注入介质慢波结构中；步骤2：电子束驱动等离子体尾场对电子束进行横向和纵向的调制，形成周期分布的短脉冲电子束；步骤3：使短脉冲周期电子束与系统内的高次本征模同步，然后两者耦合，从而激发太赫兹辐射。本发明方法具有高功率、高效率、频率可调、无需外加强磁场、辐射相干性好、不限制器件尺寸。

Description

一种太赫兹辐射的激发方法

技术领域

本发明涉及物理电子技术领域，尤其涉及一种太赫兹辐射的激发方法。

背景技术

近年来，太赫兹频段在生物医学成像、无损检测、高数据速率通信等应 用领域引起了广泛的关注。在实现太赫兹频段的过程中，最大的挑战是找到 合适的THz辐射源。在过去的几年里，我们见证了一系列鼓舞人心的成就来 克服这一挑战，激光驱动的THz源能够产生超强场强的短THz脉冲，适用 于基础科学研究。基于加速器的THz源的辐射已经被证明具有非常高的功率 和广泛的可调性。

基于真空电子学的微波器件，如电子回旋管、行波管和反波振荡器，是 目前产生太赫兹辐射的重要技术手段。其原理是利用电子束与波导或谐振腔 内本征模的相互作用来产生太赫兹波段的电磁辐射。然而采用这种方法实现 高功率的太赫兹辐射仍然存在困难。这是因为辐射的波长通常与器件(波导 或谐振腔)的横截面尺寸相近，为了产生波长在毫米到亚毫米量级的太赫兹 辐射，就必须将器件做到足够小的尺寸。这对于微加工工艺以及电子束聚焦 技术提出了很高的要求，同时也从原理上限制了这类器件向高功率太赫兹源 的发展。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种高功率、高效 率、频率可调、无需外加强磁场、辐射相干性好、不限制器件尺寸的太赫兹辐 射激发方法。

一种产生太赫兹辐射的方法，包括以下步骤：

步骤1：将电子束与高密度等离子体注入介质慢波结构中。

步骤2：电子束驱动等离子体尾场对电子束进行横向和纵向的调制，形成周 期分布的短脉冲电子束；

步骤3：使短脉冲周期电子束与系统内的高次本征模同步，然后两者耦合， 从而激发太赫兹辐射。

有益效果：

1.由于频率低于等离子体频率的低次谐波无法进入等离子体，因此无法 参与相互作用，而等离子体尾场能够对电子束进行高频的调制，使电子束可以 和高次谐波相互作用，因此，本发明提出的太赫兹辐射源工作在高次谐波，从 而可以在更大的结构尺寸下产生太赫兹辐射，同时又保证了高功率的输出。

2.等离子体具有中和电子束空间电荷力的作用，能够有效改善电子束的传 输，因此有助于输入功率以及辐射效率的提升。

3.由于系统的辐射频率取决于等离子体频率，等离子体频率又取决于等离 子体密度，因此可以只需通过调节等离子体密度即可实现频率可调的太赫兹辐 射。

附图说明

图1为本发明太赫兹辐射的激发方法流程图；

图2为基于电子束自调制的THz辐射源布置图；

图3为电子束模与系统色散关系的数值解；

图4(a)为电子束在横向等离子体尾场中自调制分布图；

图4(b)调制电子束激发电磁辐射的分布图；

图5(a)为电子束在纵向相空间分布图。

图5(b)为纵向电荷分布的傅里叶变换图；

图6为介质层中监测到的交变磁场的频谱图；

图7为波导末端沿Z方向的Poynting矢量的振幅。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创 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。

如图1所示，本发明提供一种产生太赫兹辐射的方法，包括以下步骤：

步骤1：将电子束与高密度等离子体注入介质慢波结构中。

具体地，介质慢波结构更准确称呼是“介质加载慢波结构”。其作用是将电磁 波的相速度降低到与电子束同步，从而让两者之间交换能量。介质加载慢波结 构是慢波结构的一个典型的例子。

步骤2：电子束驱动等离子体尾场对电子束进行横向和纵向的调制，形成周 期分布的短脉冲电子束。

图4(a)就是等离子体尾场的分布。“电子束驱动尾场”和“尾场调制电子束”是 一个相互促进的正反馈过程。等离子体尾场是由等离子体电子振荡形成的一种 与电子束同步的等离子体波。尾场的驱动源是电子束携带的高频分量。由于电 子束前端携带有大量高频分量，因此可以在其后驱动一个初始的尾场。尾场的 横向电场通过对电子束的周期聚焦和散焦来实现电子束调制；尾场的纵向电场 通过对电子束进行周期加速和减速来实现电子束调制。经过调制的电子束将带 有更多的高频分量，因此能够进一步驱动更强的等离子体尾场。反过来，增强 之后的尾场也会对电子束进行进一步调制。这一正反馈机制称作“自调制不稳定 性”。

步骤3：使短脉冲周期电子束与系统内的高次本征模同步，然后两者耦合， 从而激发太赫兹辐射。

首先需要电子束与电磁波(也就是系统的高次本征模)同步，然后电子束 的群聚点将掉落在电磁波的减速相位，从而把能量交给电磁波

本发明提供的激发THz辐射的方法，将相对论电子束和等离子体射流注入 介质加载波导(DLW)中相互作用，如图2所示。如果等离子体密度n_p比波束密度 n_b大得多，那么电子束将驱动一个相速度为电子束速度v₀的等离子体尾场。尾 场的波长为λ_p＝2πv₀/ω_p，其中是等离子体频率，e是基本电 荷，ε₀是真空介电常数，m_e是电子质量。当电子束的长度远大于λ_p且半径远小 于λ_p时，电子束将被等离子体尾场周期调制。与此同时，受到调制的电子束又 能够共振增强等离子体尾场，这种正反馈机制称为自调制不稳定性。本发明介 绍了一种利用电子束自调制不稳定性激发慢波结构高次本征模的方法。由于模 式选择是由等离子体频率决定的，因此只需调节等离子体密度即可使电磁辐射 到达THz波段。

系统的离散关系目前的物理分析基于图2所示的二维构型。假设等离子体 密度均匀，在光束传播过程中几乎是静态的，因为等离子体射流的速度远低于 光束的速度。在这里，电子束被认为是最初均匀的，带有初始洛伦茨因子。切 伦科夫辐射属于纵向相互作用，只有TM模式才能与波束相互作用。其中，ω为 角频率，为z方向的波数，TM模的纵向电场服从于

其中为等离子 体的相对介电常数，等离子体密度为n_p＝10²⁰m^-3，ε_d＝2为介质的相对介电 常数，A₁、A₂和A₃为待定系数，x是横向位置，坐标放在图1里，c真空中的光 速,k_z是电磁波的波数，ε_p是等离子体频率，ω代表电磁波的频率，等离子体半 径为a＝0.6cm，波导的半径为b＝1cm。根据麦克斯韦方程，可以得到横向分 量为：

其中，t是时间，由(1)、(2)以及麦克斯韦方程组的边界条件可以推出系 统的色散方程，如(3)式所示。

1+tanh(k_c1a)tan[k_c2(b-a)]/β＝0 (3)

其中β＝ε_dk_c1/ε_pk_c2。

通过以上的理论可以预测辐射的频率，公式(1)(2)是描述能够与电子束 相互作用的电磁波的基本方程，由这两个式子出发可以得到(3)式，而(3) 式能够描述电磁波传播特性，从中可以预测出辐射的频率。

(3)式的数值解如图3所示。图中的曲线为系统的本征模，水平虚线代表电 子束模。当电子束被等离子体尾场非线性调制时，将在尾场波数及其整数倍的 位置处产生一系列的高次谐波，如水平虚线和垂直虚线的交点所示。如果电子 束模的谐波与系统的本征模非常接近，如圆圈中的情况所示，则模式之间可以 达到同步并且相互耦合，电磁辐射有很大的机会被激发。如果光束谐波不那么 靠近其相邻的本征模，正如方框中的情况所示，此时同步条件不能很好地满足， 因此电磁辐射被激发的机会较小。

以上通过(3)式和图2给出了一个辐射频率的理论预测，然而，这个预测 结果是很粗糙的。因此，本发明用更高级的PIC模拟方法进行对比和验证，来 说明本发明能够通过激发高次本征模的方式实现太赫兹辐射。

在上述参数下，我们采用PIC模拟对辐射的物理过程进行了进一步研究。 模拟将10cm×2cm的平面空间划分为1000×500的网格，且每个网格中填充 有100个宏粒子。密度为n_b＝1×10¹⁸m^-3电子束从左侧模拟边界连续注入等离 子体，其相对论因子为γ₀＝6.08。电子束的前端为一个锋锐的边界，能够预先 驱动一个初始等离子体尾场，从而确保自调制的出现。图4(a)为电子束与横向等 离子体尾场的空间分布。可以发现，在等离子体尾场中，初始均匀的电子束已 经通过周期性聚焦和散聚焦的非线性调制，形成了周期的短脉冲序列。系统激 发的电磁辐射可以通过TM模的磁场分量进行观测，如图4(b)所示。在等离子体通道中，聚焦点之后出现了锥形的波阵面，这符合切伦科夫辐射的特征。在介 质层中，电磁模式会逐渐形成网状分布，其横向周期由介质层的横向尺寸决定， 该现象的出现也意味着系统本征模的激发。

随着横向自调制的进行，等离子体尾场的纵向分量也会对波束速度进行调 制，如图4(a)所示，中间水平直线表示初始值。当速度调制逐渐转变为密度调制 时，大多数束流电子将在纵向方向上减速并聚集。在此过程中，聚焦点可以在 纵向上进一步压缩，这有助于它们与更高频率的电磁波相互作用。通过傅里叶 变换，可以得到电荷量纵向分布的频谱，如图5(b)所示。从图中可以看出，纵向 调制使电子束带有了丰富的谐波，这个结果与图2中的垂直虚线吻合。当这些 谐波与系统中相应的本征模耦合时，就可以进行模式的选择激发。

图6为介质层中所检测到的电磁辐射的频谱。图中等离子体频率的整数倍 处可以发现一系列的模式。用圆圈或方框标记的模式分别对应图2中用相同颜 色标记的谐波。可以看出，标记圆圈模式的增长明显优于标记方框模式的增长， 因此粒子模拟得到的辐射频谱与色散关系的结果基本一致，由此说明，通过理 论结果和模拟结果都证明了该系统的确能够通过激发高次本征模的方式实现太 赫兹辐射。为本发明的实现太赫兹辐射的新方案提供了依据。此外，频率低于 等离子体频率的本征模几乎被完全抑制，因为它们不能穿透等离子体与电子束 相互作用。

图7为波导末端介质层中的Poynting矢量假设系统是圆 柱对称的，并且考虑电磁波在波导的横截面内的能流密度分布近似为均匀的,这 样就可以利用(4)式估算辐射能量的转换效率。

η＝S_zR²/(γ₀-1)m_ec²n_bv₀r_b ²

(4)

其中R为波导半径，r_b为电子束半径。将对应的仿真参数代入(4)可以得到， 在0.75ns左右，Poynting矢量将达到最大值25.1GW/m²，此时的能量转换效率 可达8.3％。

综上所述，本发明提供了一种以电子束自调制方式作为模式选择方法，在THz波段产生高谐波辐射的新方法。在横向方向上的自调制将把光束转换成一 串短束并产生一个强等离子体尾场。然后，等离子体尾场的纵向分量将进一步 压缩束。高谐波THz产生的物理机制被认为是调制光束的谐波与SWS相应的特 征模态之间的耦合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种太赫兹辐射的激发方法，包括以下步骤：

步骤1：将电子束与高密度等离子体注入介质慢波结构中；

步骤2：电子束驱动等离子体尾场对电子束进行横向和纵向的调制，形成周期分布的短脉冲电子束；

步骤3：使短脉冲周期电子束与系统内的高次本征模同步，然后两者耦合，从而激发太赫兹辐射。