CN111816535A - 一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介质光栅Smith‑Purcell效应的相干电磁波辐射系统，包括电子发射装置、介质光栅和收集极。该辐射源通过电子发射装置周期性的发射电子团，激励起周期性矩形介质光栅连续域束缚态附近的谐振模式，最终在光栅的上、下两侧空间产生高强度的相干Smith‑Purcell辐射，所述的Smith‑Purcell辐射的频率为电子团发射频率的整数倍。本发明利用介质光栅产生相干太赫兹波，能够充分发挥半导体的先进工艺技术、高密度集成、价格低廉等优势，获得高效、紧凑的相干电磁波辐射系统。
Description
技术领域
本发明涉及电磁技术领域，更具体的说，涉及一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统。
背景技术
太赫兹波通常是指频率为0.1-10太赫兹的电磁波，在电磁频谱中的位置位于微波和红外之间，因其在电磁频谱中的特殊位置在信息和通信，材料科学研究，生物医学和军事应用等领域具有广阔的应用前景。针对太赫兹波在研究和工业领域的应用，科学家们对太赫兹辐射源开展了广泛研究。目前研究中面临的主要问题是缺少可调谐且高效的太赫兹辐射源，这也限制了太赫兹波的实际应用。
目前，国际上正在开发的太赫兹波辐射源可以分为三类：基于真空电子学的太赫兹波源、基于光子学的太赫兹波源、基于固态半导体电子学的太赫兹波源。基于真空电子学的太赫兹源是目前主要的电磁波辐射系统之一，包括：返波管、行波管扩展互作用管等。相较于返波管和行波管，基于Smith-Purcell效应的太赫兹电磁波辐射源可以在同样的几何结构参数下产生更高的辐射频率，更易于实现紧凑型、高强度的电磁波辐射系统，有望发展成为一种重要的太赫兹电磁波辐射源。
现有技术中，基于Smith-Purcell辐射的相干电磁波辐射源采用的是金属光栅，利用电子团激励金属光栅可以产生相干Smith-Purcell辐射，辐射频率等于电子团发射频率的正整数倍。与金属光栅相比，采用介质光栅能更充分的发挥半导体电子的先进工艺技术、高密度集成、价格低廉等优势，可能实现紧凑、高效的片上太赫兹电磁波辐射源。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的基于Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统，包括依次布置的电子发射装置、介质光栅和收集极；
所述电子发射装置与收集极相对放置于同一水平面，高对比度介质光栅放置于电子发射装置与收集极之间，高度低于电子发射装置产生的电子团；
所述电子发射装置能够产生横截面为矩形的电子团，电子能量可以按要求设定；
所述介质光栅为高对比度介质光栅，包括由高折射率材料构成的周期分布的矩形结构和其周围的低折射率介质；
电子发射装置周期性的产生电子团，这些电子团从所述的介质光栅上方掠过，最终进入所述收集极；
所述周期发射的电子团在光栅上方掠过时激励起光栅在连续域束缚态附近的谐振模式，该谐振模式的频率是电子团发射频率的正整数倍，从而在光栅的上、下两侧空间同时产生高强度的Smith-Purcell辐射，该Smith-Purcell辐射为相干辐射，辐射频率为光栅谐振模式的频率，辐射方向与辐射频率和光栅周期有关。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统采用的光栅为高对比度介质光栅，而传统Smith-Purcell辐射源普遍采用金属光栅。与金属光栅相比，介质光栅可以采用半导体加工工艺加工，更易实现高密度集成。
附图说明
为了更清楚的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简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有做出创造性劳动前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统示意图；
图2为仿真得到的Smith-Purcell辐射场分布图；
图3为仿真得到的光栅中心上方10cm处y向磁场时域图；
图4为仿真得到的光栅中心上方10cm处y向磁场频域图；
图5为仿真得到的向上辐射的功率时域图。
附图标记列表：
10-电子发射装置，20-电子团，30-介质光栅，40-收集极，50-Smith Purcell辐射。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明提供了一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统，其原理图如图1所示，包括电子发射装置10、介质光栅30、收集极40。电子发射装置与收集极相对放置于同一水平面，电子发射设备周期性的发射电子团20。高对比度介质光栅放置于电子发射装置与收集极之间，高度低于电子发射装置产生的电子团；周期发射的电子团从高对比度介质光栅结构的上表面掠过，激励起高对比度介质光栅结构连续域束缚态附近的谐振模式，最终在光栅的上、下半空间产生高强度的相干Smith-Purcell辐射50。
所述的基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统中，产生的Smith-Purcell辐射的频率等于介质光栅谐振模式的频率，此频率为电子团的发射频率的正整数倍，辐射角度由Smith-Purcell辐射关系式确定，即λ＝L(1/β-cosθ)/|n|，其中，L为所述周期性矩形介质光栅的周期，λ为Smith-Purcell辐射波长，β为电子团的运动速度与真空光速的比值，θ为电子团的运动方向与Smith-Purcell辐射方向的夹角，n为负整数。
所述的一种基于电子团串激励介质光栅谐振的电磁波辐射系统的辐射原理是周期发射的电子团激励起高对比度介质光栅中连续域束缚态附近的谐振模式，因而Smith-Purcell辐射的辐射频率由周期性矩形介质光栅的谐振频率决定，谐振频率由介质光栅的几何结构参数决定。
所述的电子发射装置为产生的电子团横截面为矩形薄片形状，其中x方向的厚度远小于其y方向宽度。
具体实施例：
利用电子发射装置周期性的产生电子团，电子能量为100千电子伏，电子团x方向的厚度为0.05毫米，电子团y方向的宽度为1毫米，电子团z方向的长度为0.82毫米，电子团发射频率为0.1太赫兹,电子发射密度为0.05安培每平方厘米，电子团与周期性矩形介质光栅的距离为0.01毫米。
介质光栅的周期为1.64毫米，光栅占空比为0.77，光栅厚度为1.79毫米，其中高折射率介质的相对介电常数为12.15，其周围的低折射率介质的相对介电常数为1，该光栅谐振模式的频率为0.1太赫兹，对应的Smith-Purcell辐射方向垂直于电子团运动方向。
本发明的具体仿真结果如下：图2为仿真得到的Smith-Purcell辐射场分布图；图3为仿真得到的光栅中心上方10厘米处辐射场时域图；图4为仿真得到的光栅中心上方10厘米处辐射场频域图；图5为仿真得到的向上辐射的功率时域图。可以看到辐射频率为0.1太赫兹，峰值功率为300毫瓦。
Claims (5)
1.一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统，其特征在于，包括依次布置的电子发射装置、介质光栅和收集极；
所述电子发射装置与收集极相对放置于同一水平面，介质光栅放置于电子发射装置与收集极之间，高度低于电子发射装置产生的电子团；
所述电子发射装置周期性的发射电子团，电子团从所述介质光栅上方掠过，最终进入所述收集极。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统，其特征在于，所述电子发射装置发射横截面为矩形的电子团。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统，其特征在于，所述介质光栅为高对比度光栅，其中周期性矩形高折射率结构被低折射率介质包围。
4.根据权利要求1所述的一种基于Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统，其特征在于，周期性产生的电子团在介质光栅上方掠过时激励起光栅在连续域束缚态附近的谐振模式，该谐振模式的频率是电子团发射频率的正整数倍。
5.根据权利要求4所述的一种基于Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统，其特征在于，所述介质光栅的上下两侧空间同时产生高强度的Smith-Purcell辐射，该Smith-Purcell辐射为相干辐射，辐射频率为光栅谐振模式的频率，该频率由介质光栅的结构参数决定，辐射方向与辐射频率和光栅周期有关。
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