CN110444996B - 相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种相干Smith‑Purcell辐射器件及相干THz辐射信号的产生方法，该器件包括：电子发射源、泵浦源、第一金属光栅结构和第二金属光栅结构；电子发射源用于发射直流电子束；泵浦源用于在第一金属光栅结构上产生局域周期性电磁场；局域周期性电磁场将直流电子束调制成群聚电子束；第二金属光栅结构的周期小于第一金属光栅结构，用于使经过其上的群聚电子束产生相干Smith‑Purcell辐射。本发明实施例提供的相干Smith‑Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法，利用泵浦源激励光栅表面的周期性电磁场，实现直流电子到群聚电子的转换，通过设置Smith‑Purcell辐射的光栅周期，实现THz辐射信号的产生，实现了器件的小型化，增强了THz辐射信号的强度、相干性和方向性。

Description

相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称：THz，1THz＝1012Hz)波，是指频率在0.1THz-10THz频段的电磁波。太赫兹波具有强穿透性、低光子能量以及相干性等优秀特性，可广泛应用于无损质量检测、太赫兹成像以及空间光通讯等诸多领域，太赫兹技术也被认为是未来最重要的技术之一。
Smith-Purcell辐射是指自由电子与光栅相互作用产生的电磁辐射，通过电子能量和光栅周期的设计可以输出特定波长的电磁波。如果能够实现太赫兹波段的Smith-Purcell辐射，可以解决太赫兹源难以集成的问题，更有利于未来小体积实用化的太赫兹光源的应用。在此基础上，若能进一步在THz波段实现相干的Smith-Purcell辐射，则能实现强度更强、频带更窄的太赫兹输出，进一步提高其在未来用于探测、成像等实际领域的实用性。
目前，基于真空自由电子的THz器件，比如基于波荡器原理的自由电子激光器，为了获取群聚的电子束，一般需要大型电子加速器，无法实现器件的小型化，从而降低实用性。常见的真空自由电子器件，例如回旋管和返波管，难以实现高频段(大于1THz)的THz辐射。其中返波管通过自由电子和光栅相互作用产生返波模式，利用返波模式调制电子实现群聚，群聚电子进而增大辐射强度，实现受激的相干辐射。但是随着频率的增大(大于1THz)，光栅尺寸和周期减小，电子束和光栅之间利用返波调制电子进行受激放大的方案难度实现，主要由于电子束聚焦和准直效果以及电子束和光栅之间的作用距离等条件变得苛刻。
基于，现有技术的诸多缺陷，如何提供一种结构简单、实用性强的相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法，是本领域值得解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法，用以解决现有技术中的上述不足。
一方面，本发明实施例提供一种相干Smith-Purcell辐射器件，包括：电子发射源、泵浦源、第一金属光栅结构和第二金属光栅结构；其中，电子发射源用于发射直流电子束；泵浦源用于在第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场；利用所述局域周期性电磁场将直流电子束调制成群聚电子束。其中，第二金属光栅结构的周期小于所述第一金属光栅结构，用于使经过第二金属光栅结构中的群聚电子束产生相干Smith-Purcell辐射；其中，泵浦源的信号频率与所述第一金属光栅的周期的乘积等于直流电子束的速度。
另一方面，本发明实施例提供一种相干THz辐射信号产生方法，该方法包括：通过电子发射源发射直流电子束；通过泵浦源在第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场，并利用局域周期性电磁场将直流电子束调制成群聚电子束；其中，泵浦源的信号频率与第一金属光栅结构的周期的乘积等于直流电子束的速度；将群聚电子束经过第二金属光栅结构，产生相干Smith-Purcell辐射；获取由所述相干Smith-Purcell辐射所产生的相干THz辐射信号。
本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法，利用泵浦源激励光栅表面的周期性电磁场，实现直流电子到群聚电子的转换，进而利用群聚电子产生相干Smith-Purcell辐射，实现了器件的小型化，并进一步地通过设置Smith-Purcell辐射的光栅周期，实现高阶倍频相干THz辐射信号的产生，增强了相干THz辐射信号的强度和相干性，并使得辐射信号具有明确的方向性。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件的三维结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件的主视结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种相干Smith-Purcell辐射器件的三维结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种相干Smith-Purcell辐射器件的俯视结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种相干Smith-Purcell辐射器件的主视结构示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种相干Smith-Purcell辐射器件的三维结构示意图；
图8为本发明实施例提供的相干THz辐射信号的产生方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本发明实施例提供一种相干Smith-Purcell辐射器件的内部连接关系示意图，该辐射器件包括：电子发射源2、泵浦源1、第一金属光栅结构4和第二金属光栅结构5。其中，电子发射源2用于发射直流电子束；泵浦源1用于在第一金属光栅结构4上产生特定频率的局域周期性电磁场，利用该局域周期性电磁场直流电子束调制成群聚电子束；第二金属光栅结构5的周期小于所述第一金属光栅结构4的周期，用于使经过第二金属光栅结构5中的群聚电子束产生相干Smith-Purcell辐射；其中，泵浦源1的信号频率与第一金属光栅4的周期的乘积等于直流电子束的速度。
结合实际应用场景，本发明实施例提供的相干Smith-Purcell辐射器件的正视图可参考图2，侧视图可参考图3。其中，该电子发射源2用于发射直流电子束，该直流电子束的电流可以为：1～100mA，束径可以为：1～200μm，电子能量可以为：1～100keV。
其中，泵浦源1可以设置在器件的外部，该泵浦源用于产生特定频率的信号，该信号作用于第一金属光栅结构4上，并在该第一金属光栅结构4上形成特定频率的局域周期性电磁场。该电磁场的频率由泵浦源1产生的信号的频率决定，从而可以通过设置泵浦源1产生的信号的频率控制第一金属光栅结构4上形成的局域周期性电磁场的频率。当直流电子束中的自由电子飞过第一金属光栅结构4的表面，由于受到光栅表面局域周期性电磁场的影响，自由电子的能量会被调制，直流电子束中的部分电子会被极大的加速，而相应的部分电子会被极大的减速，从而直流电子束会被周期性电磁场调制成疏密相间的群聚电子束，即实现了电子群聚的效果。
其中，第一金属光栅结构4的周期可以是：0.1mm-5mm，占空比可以设置为0.1-0.5，其主要功能是受泵浦源1产生的信号激发，在第一金属光栅结构4的表面生成局域周期电磁场，利用该电磁场对经过的直流电子束中的电子进行调制，实现直流电子束的群聚得到群聚电子束。
另外，第二金属光栅结构5位于第一金属光栅结构4之后。第二金属光栅结构5的周期可以为：1～1000μm，占空比为0.1-0.5。需要指出的是：第二金属光栅结构5的周期小于第一金属光栅结构4的周期，这样的结构设置用于实现倍频调制，从而提取群聚电子产生Smith-Purcell辐射，即群聚电子束中的电子与第二金属周期光栅结构5相互作用，用于提取高阶的相干的倍频信号。
本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件，利用泵浦源激励光栅表面的周期性电磁场，实现直流电子到群聚电子的转换，进而利用群聚电子产生相干Smith-Purcell辐射，实现了器件的小型化，并进一步地通过设置Smith-Purcell辐射的光栅周期，实现高阶倍频相干THz辐射信号的产生，增强了相干THz辐射信号的强度和相干性，并使得辐射信号具有明确的方向性。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件，还包括：电子束聚焦系统，用于对直流电子束进行聚焦，减少自由电子从电子发射源2发射至第二金属光栅结构5的末端的过程中的扩散。
具体地，该电子束聚焦系统可以包括磁体结构，比如永磁体或电磁铁，该磁体结构产生的磁场的方向与电子发射源2发射的直流电子束的方向平行。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件，还包括：电子收集器3；该电子收集器3位于第二金属光栅结构后，用于收集电子发射源2发射的经过第一金属光栅4和第二金属光栅5后的电子束。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，第一金属光栅结构4和所述第二金属光栅结构5的材质可以为：金、银、铜、铁、镍中至少一种构成。具体地，第一金属光栅结构4和所述第二金属光栅结构5的材质可以是：金、银、铜、铁、镍等各种单质金属材料，或者是各种金属的合金材料，对此本发明实施例不作具体限定。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，第一金属光栅结构4和第二金属光栅结构5的形状可以为：锯齿形、圆形、波浪形、多边形中的任意一种，对此本发明实施例不作具体限定。其中，第一金属光栅结构4和第二金属光栅结构5可以不是同一形状结构。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，第一金属光栅结构4和第二金属光栅结构5，可以为：二维光栅、三维光栅、光栅阵列、孔洞结构、盘荷波导、折叠光栅中的任一种，对此本发明实施例不作具体限定。其中，第一金属光栅结构4和第二金属光栅结构5可以设置为不同结构。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，泵浦源1位于第一金属光栅结构4的正上方、侧方或者底部。
具体地，泵浦源1的位置不局限于位于第一金属光栅结构4的上方，也可以设置于第一金属光栅结构4的侧方或底部等方位。泵浦源1的入射方式也不局限于垂直入射到第一金属光栅结构4表面，可以是斜入射或者是掠入射等方式，本发明实施例不对采用何种周期结构或是泵浦方式进行限定，但基本原理都是：通过泵浦源1和第一金属光栅结构4的相作用产生周期性电磁场，通过第一金属光栅结构4表面的该周期性电磁场，调制直流电子束，电子实现群聚，再通过更小周期的第二金属光栅结构5产生相干的Smith-Purcell辐射，以实现倍频信号的提取。
图4为本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件的三维结构示意图，图5为图4中Smith-Purcell辐射器件的俯视示意图，图6为图4中Smith-Purcell辐射器件的主视示意图，如图4、图5和图6所示，本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件，其与上述实施例的区别在于：其中，第一金属光栅结构4和第二金属光栅结构5的结构为二维周期结构。
如图7所示，本发明实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件，其与上述实施例的区别在于：其中，第一金属光栅结构4和第二金属光栅结构5为盘荷波导，其中，盘荷波导的外部形状以及该盘荷波导的孔间形状可以是任意多边形或曲线形等形状，本发明实施例不作具体限定。
图8为本发明实施例提供的相干THz辐射信号的产生方法的流程示意图，如图8所示，本发明实施例提供一种相干THz辐射信号的产生方法，该方法包括但不限于：步骤S1，通过电子发射源发射直流电子束；步骤S2，通过泵浦源在第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场，并利用局域周期性电磁场将直流电子束调制成群聚电子束；其中，所述泵浦源的信号频率与所述第一金属光栅结构的周期的乘积等于所述直流电子束的速度；步骤S3，将所述群聚电子束经过第二金属光栅结构，产生相干Smith-Purcell辐射；步骤S4，获取由所述相干Smith-Purcell辐射所产生的相干THz辐射信号。
具体地，在步骤S1中，对电子发射源2施加电压，触发电子发射源2发射出直流电子束。同时，在步骤S2中，外界泵浦源1发射的特定频率的信号作用于第一金属光栅结构4上，并与该第一金属光栅结构4作用，并在所述第一金属光栅结构沿电子发射源的轴向上产生周期性电磁场；当步骤S1中产生的直流电子束在第一金属光栅结构4的表面经过时，被上述周期性电磁场所调制，直流电子束中的部分电子会被极大的加速，而相应的部分电子会被极大的减速，从而直流电子束会被周期性电磁场调制成疏密相间的群聚电子束，即实现了电子群聚的效果。
当步骤S2获取到有直流电子束调制成的群聚电子束后，在步骤S3中，该群聚电子束继续经过第二金属光栅结构5的表面，在该第二金属光栅结构5的表面产生相干Smith-Purcell辐射。本发明实施例中，将第二金属光栅结构5的周期设置为小于第一金属光栅结构4的周期，则在步骤S4中提取的Smith-Purcell辐射信号则为上述泵浦源信号的倍频信号。
本发明实施例提供的一种相干THz辐射信号产生方法，利用泵浦源激励光栅表面的周期性电磁场，实现直流电子到群聚电子的转换，进而利用群聚电子产生相干Smith-Purcell辐射，实现了器件的小型化，并进一步地通过设置Smith-Purcell辐射的光栅周期，实现高阶倍频相干THz辐射信号的产生，增强了相干THz辐射信号的强度和相干性，并使得辐射信号具有明确的方向性。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，获取由相干Smith-Purcell辐射所产生的相干THz辐射信号，包括：改变第二金属光栅结构的周期，以调整相干Smith-Purcell辐射所产生的相干THz辐射信号的频率，并获取相干THz辐射信号。
进一步地，当第二金属周期光栅5的周期越小，所提取信号的倍频阶数越高，可以实现将微波信号倍频到大于1THz的波段，或者将THz信号倍频到更高频率的THz信号。由于相干THz辐射的频率为泵浦源产生的信号的频率的倍频，且根据Smith-Purcell辐射的性质，当确定直流电子束的速度和第二金属周期光栅结构5的周期的情况下，只会在确定的角度产生相干的THz辐射，从而产生的相干THz辐射还具有明确的方向性。
需要指出的是，本发明实施例实现相干THz辐射的原理有以下两点关键：首先，是实现直流电子束的群聚。具体地，直流电子束受周期性电磁场调制后，形成一个个群聚的电子束，即电子束在空间中形成周期排列，假设周期排列的电子束频率为f，则电子束内的电子周围的电磁模式在频率f及其倍频上(n·f，n为倍频的阶数)发生相干增强。
其次，是实现倍频信号的提取。具体地，信号提取的方式是通过自由电子和第二金属光栅结构5之间产生的Smith-Purcell辐射，该辐射波长公式为m·λ＝P(c/v–cosθ)，其中P为第二金属光栅结构5的光栅周期，c为光速，v为电子速度，θ为辐射的角度，m为Smith-Purcell辐射的阶数。
需要指出的是：由于直流电子束发生了群聚，从而发生的Smith-Purcell辐射具有相干性，由于辐射波长λ为电子群聚频率f的整数倍所对应的波长，即λ＝c/(n·f)，从而，相干Smith-Purcell辐射的公式为：c/(n·f)＝P(c/v–cosθ)。由于本实施例中的相干Smith-Purcell辐射器件具有确定的电子速度v，光栅周期P，以及电子群聚频率f，cosθ在-1到+1的范围内，则相干Smith-Purcell辐射为一定的倍频阶数n上产生的辐射。
本发明实施例提供的相干THz辐射信号的产生方法，与现有技术中倍频产生的方式不同点在于：现有技术中倍频产生的方式，如非线性晶体倍频，倍频阶数都是从n＝2开始，并随着倍频阶数的增大，倍频信号的幅度减小。而本申请所提供的相干THz辐射信号的产生方法中的相干Smith-Purcell辐射，直接跳过低阶次的倍频信号，选择性的提取高阶的倍频信号。同时利用Smith-Purcell辐射实现了器件的小型化，且由于Smith-Purcell辐射的电子束为群聚电子，一定程度上增强了辐射强度和相干性，同时该倍频信号在空间具有明确的辐射方向。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
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 (9)

1.一种相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，包括：电子发射源、泵浦源、第一金属光栅结构和第二金属光栅结构；
所述电子发射源用于发射直流电子束；所述泵浦源用于在所述第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场，利用所述局域周期性电磁场将所述直流电子束调制成群聚电子束；
所述第二金属光栅结构的周期小于所述第一金属光栅结构的周期，用于使经过所述第二金属光栅结构中的所述群聚电子束产生相干Smith-Purcell辐射；
其中，所述泵浦源的信号频率与所述第一金属光栅的周期的乘积等于所述直流电子束的速度；
其中，所述第一金属光栅结构和所述第二金属光栅结构为：二维光栅、三维光栅、光栅阵列、孔洞结构、盘荷波导、折叠光栅中的一种。
2.根据权利要求1所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，还包括：电子束聚焦系统，采用磁场聚焦方法对直流电子束进行聚焦，使电子能顺利通过所述第一金属光栅和所述第二金属光栅而不发生严重扩散。
3.根据权利要求2所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，所述电子束聚焦系统包括磁体结构，所述磁体结构产生的磁场的方向与所述直流电子束的方向平行。
4.根据权利要求1所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，还包括电子收集器，所述电子收集器位于所述第二金属光栅结构后，用于收集所述电子发射源发射的经过所述第一金属光栅和所述第二金属光栅后的电子束。
5.根据权利要求1所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，所述第一金属光栅结构和所述第二金属光栅结构的材质为：金、银、铜、铁、镍中至少一种构成。
6.根据权利要求1所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，所述第一金属光栅结构和所述第二金属光栅结构的形状为：锯齿形、圆形、波浪形、多边形中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，所述泵浦源位于所述第一金属光栅结构的正上方、侧方或者底部。
8.一种相干THz辐射信号的产生方法，其特征在于，
通过电子发射源发射直流电子束；
通过泵浦源在第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场，并利用所述局域周期性电磁场将所述直流电子束调制成群聚电子束；
其中，所述泵浦源的信号频率与所述第一金属光栅结构的周期的乘积等于所述直流电子束的速度；
将所述群聚电子束经过第二金属光栅结构，产生相干Smith-Purcell辐射；
获取由所述相干Smith-Purcell辐射所产生的相干THz辐射信号；
其中，所述第一金属光栅结构和所述第二金属光栅结构为：二维光栅、三维光栅、光栅阵列、孔洞结构、盘荷波导、折叠光栅中的一种。
9.根据权利要求8所述的相干THz辐射信号的产生方法，其特征在于，所述获取由所述相干Smith-Purcell辐射所产生的相干THz辐射信号，包括：
改变所述第二金属光栅结构的周期，以调整所述相干Smith-Purcell辐射所产生的相干THz辐射信号的频率，并获取所述相干THz辐射信号。
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