CN110137781B - 一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构 - Google Patents

一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种将表面波转化为Smith‑Purcell辐射的光栅结构，属于真空电子技术领域。本发明将具有两个周期的亚波长孔阵列叠合在一起，上下孔阵列中的场可以通过通孔相互耦合。发射极发射的电子掠过周期较小的孔阵列一侧，将在孔阵列表面激发起表面波，表面波主要由周期较小的孔阵列的周期所决定。根据亚波长孔阵列的增强透射特性，表面场很容易通过孔到达周期较大的孔阵列的一侧，根据Smith‑Purcell辐射机制，表面波将转化为辐射场。表面波的强度远大于电子直接激发的Smith‑Purcell的强度，因此本发明将表面波转化为Smith‑Purcell辐射，可极大的提高Smith‑Purcell辐射的强度。表面波强度可控，因此实现的Smith‑Purcell辐射将是相干可调的辐射，可应用与毫米波、太赫兹辐射源的研究。

Description

一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构。
背景技术
电子掠过金属光栅表面激发出Smith-Purcell辐射，其辐射机制可以看作是电子在金属光栅上方运动时，在光栅中诱导出变化的表面电流激发的电磁辐射，其辐射的频率范围与光栅的周期和电子运动速度相关。该辐射是一种宽频谱的辐射，基于Smith-Purcell的辐射机制，后来发展了Orotron和Smith-Purcell自由电子激光等辐射源。提高Smith-Purcell辐射的功率，将有助于基于Smith-Purcell辐射的辐射源(例如Orotron)研究。
电子掠过金属周期结构表面将激发出Smith-Purcell辐射，同时也会激励起表面波，且强度远大于Smith-Purcell辐射场，因为对于同一周期的周期结构而言，其支持的表面波频率远低于Smith-Purcell辐射的阈值，因此表面波是不能转化为Smith-Purcell辐射。如果能将表面波转化为Smith-Purcell辐射对于提高Smith-Purcell辐射的功率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提高Smith-Purcell的辐射功率，调节Smith-Purcell辐射的频率，将具有两种不同周期的孔阵列叠加在一起，提供一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构，可用于毫米波、太赫兹波甚至光辐射的产生。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构，包括电子发射极、电子接收极、周期为d的亚波长孔阵列和周期为D的亚波长孔阵列，D＞d；周期为d的亚波长孔阵列和周期为D的亚波长孔阵列在孔的径向方向上上下紧密贴合，两个不同周期的亚波长孔阵列之间留有耦合通孔；电子发射极和电子接收极处于正对位置，位于周期为d的亚波长孔阵列的上方的两端。
电子发射极用于产生电子，电子接收机用于接收电子发射极发射的电子；当电子发射极发射电子时，电子掠过周期较小(d)的亚波长孔阵列的一侧，在孔阵列表面激发起表面波，表面波由周期较小的亚波长孔阵列的周期决定；根据亚波长孔阵列的增强透射特性，表面场很容易通过耦合通孔到达周期较大(D)的亚波长孔阵列的一侧，根据机制，表面波转化为辐射场。
D一般是d的整数倍，但不限于整数倍，只要D＞d(只要两个不同周期的亚波长孔阵列之间留有耦合通孔，表面波即可由周期较小的亚波长孔阵列一侧传向周期较大的亚波长空阵列一侧，保证表面波转为Smith-Purcell辐射场)。
通过调节D和d的大小以及两个周期的亚波长孔阵列的孔占比可以增强两个孔阵列的场的耦合。
通过调节两个亚波长孔阵列的结构参数、发射极发射电子的激励电子电压等来调节表面波频率和强度，实现相干、可调的Smith-Purcell辐射。
两个周期的亚波长孔阵列的材料相同或不同。
本发明的有益效果是：
本发明所述光栅结构巧妙地将两个不同周期的光栅叠合在一起，小周期孔阵列产生的表面波互作用频率正好落在大周期孔阵列的Smith-Purcell辐射区，根据亚波长孔阵列的增强透射特性，表面场很容易通过通孔到达周期较大的孔阵列(D)的一侧，使表面波转化为Smith-Purcell辐射成为可能。
附图说明
图1为本发明所述光栅结构的剖面三维结构示意图；
图2为本发明所述光栅结构的二维示意图，其中(a)为xoz面剖视图，(b)为xoy面俯视图，(c)为xoy面仰视图；
图3为表面波转化为Smith-Purcell辐射的机制图；
图4为实施例所述光栅结构的三维示意图；
图5为实施例所述光栅结构的辐射场分布图；
图6为实施例所述光栅结构的辐射场时域图；
图7为实施例所述光栅结构的辐射场频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构，其剖面三维结构示意图如图1所示，三维结构示意图如图4所示，包括电子发射极、电子接收极、周期为d的亚波长孔阵列和周期为D的亚波长孔阵列，D＞d；周期为d的亚波长孔阵列和周期为D的亚波长孔阵列在孔的径向方向上上下紧密贴合，两个不同周期的亚波长孔阵列之间留有耦合通孔；电子发射极和电子接收极处于正对位置，位于周期为d的亚波长孔阵列的上方的两端。
电子发射极用于产生电子，电子接收机用于接收电子发射极发射的电子；当电子发射极发射电子时，电子掠过周期较小(d)的亚波长孔阵列的一侧，在孔阵列表面激发起表面波，表面波由周期较小的亚波长孔阵列的周期决定；根据亚波长孔阵列的增强透射特性，表面场很容易通过耦合通孔到达周期较大(D)的亚波长孔阵列的一侧，根据机制，表面波转化为辐射场。
D一般是d的整数倍，但不限于整数倍，只要D＞d(只要两个不同周期的亚波长孔阵列之间留有耦合通孔，表面波即可由周期较小的亚波长孔阵列一侧传向周期较大的亚波长空阵列一侧，保证表面波转为Smith-Purcell辐射场)。
通过调节D和d的大小以及两个周期的亚波长孔阵列的孔占比可以增强两个孔阵列的场的耦合。
通过调节两个亚波长孔阵列的结构参数、发射极发射电子的激励电子电压等来调节表面波频率和强度，实现相干、可调的Smith-Purcell辐射。
两个周期的亚波长孔阵列的材料相同或不同。
本实施例所述光栅结构的二维示意图如图2所示，光栅结构的总长度(x轴方向)为4毫米，总宽度w(y方向)为300微米，总高度h1+h2(z方向)为200微米。小周期孔阵列的周期d为100微米，有40个周期，光栅齿2与光栅槽1的占空比为1:1，即光栅齿和光栅槽在x方向的宽度均为50微米，光栅深度h1为100微米,光栅槽宽度w1为200微米。大周期孔阵列的周期D为200微米，有20个周期，光栅3与光栅槽4的占空比为1:1，即光栅齿和光栅槽在x方向的宽度均为100微米，光栅深度h2为100微米，光栅槽宽度w2为200微米。
当电子团掠过小周期孔阵列(d)一侧，将在孔阵列表面激发起表面波，而该表面波主要有周期较小的孔阵列的周期所决定。根据亚波长孔阵列的增强透射特性，表面场很容易通过通孔到达周期较大的孔阵列(D)的一侧，根据Smith-Purcell辐射机制，该表面波将转化为辐射场。
表面波转化为Smith-Purcell辐射场的机制图如图3所示：
图3中左半部分为周期较小的孔阵列的辐射机制，右半部分是周期较大的孔阵列的辐射机制；对于单周期的光栅结构，电子掠过光栅会同时产生辐射场和表面波，表面波的频率远低于Smith-Purcell辐射区的频率，表面波无法转化为Smith-Purcell辐射。本发明巧妙地将两个不同周期的光栅叠合在一起，小周期孔阵列产生的表面波互作用频率正好落在大周期空阵列的Smith-Purcell辐射区，根据亚波长孔阵列的增强透射特性，表面场很容易通过通孔到达周期较大的孔阵列(D)的一侧，使表面波转化为Smith-Purcell辐射成为可能。
因为表面波的强度远大于电子直接激发的Smith-Purcell的强度，因此本发明将表面波转化为Smith-Purcell辐射，可极大的提高Smith-Purcell辐射的强度。
图5为本实施例所述光栅结构的辐射场分布图，发射极发射电子的激励电子电压为60千伏；
图6为本实施例所述光栅结构的辐射场时域图；
图7为本实施例所述光栅结构的辐射场频谱图。
仿真结果表明本实施例所述光栅结构可以将表面波转化为Smith-Purcell辐射，并提高辐射功率，通过调节结构参数和改变电子电压等来调节表面波频率，实现辐射频率的可调性。

Claims (5)

1.一种表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构，其特征在于，包括电子发射极、电子接收极、周期为d的亚波长孔阵列和周期为D的亚波长孔阵列，D＞d；周期为d的亚波长孔阵列和周期为D的亚波长孔阵列在孔的径向方向上上下紧密贴合，两个不同周期的亚波长孔阵列之间留有耦合通孔；电子发射极和电子接收极处于正对位置，位于周期为d的亚波长孔阵列的上方的两端。
2.根据权利要求1所述的表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构，其特征在于，D是d的整数倍。
3.根据权利要求1所述的表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构，其特征在于，通过调节D和d的大小以及两个周期的亚波长孔阵列的孔占比能够增强两个孔阵列的场的耦合。
4.根据权利要求1所述的表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构，其特征在于，通过调节两个亚波长孔阵列的结构参数和发射极发射电子的激励电子电压来调节表面波频率和强度，实现相干和可调的Smith-Purcell辐射。
5.根据权利要求1所述的表面波转化为Smith-Purcell辐射的光栅结构，其特征在于，两个周期的亚波长孔阵列的材料相同或不同。
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