CN112887035A - 一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法。本发明采用真空电子学方法，将圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体，直接产生太赫兹涡旋波束，避免了太赫兹器件匮乏和太赫兹波强衍射的问题，将传统的太赫兹波束源和太赫兹波束转化为涡旋波束的两段结构集成在一起，直接构成太赫兹涡旋波束源；本发明只需要环形阴极和静磁场即可，不需要复杂的馈源电路；本发明所产生的太赫兹涡旋波束可以工作在超宽频带范围内；本发明能够实现在宽带范围内对太赫兹涡旋波束进行模式调谐和波束扫描；本发明所产生的涡旋波束的旋性仅与螺旋周期结构的旋性有关，所产生的涡旋波束具有很强的鲁棒性。

Description

一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法

技术领域

本发明涉及涡旋波束技术，具体涉及一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法。

背景技术

涡旋波束是一种具有螺旋相位波前的特殊的电磁波，它自被发现起已经引起了广泛的兴趣，并在光学操纵、电磁成像、传感以及通信等领域发挥重要作用。在太赫兹波段，涡旋波束同样可以被应用于太赫兹通信、超分辨率成像、光谱学探测、电子加速等领域。但是受制于太赫兹器件和太赫兹源的发展，如何在太赫兹波段高效的激发宽带可调谐的多模涡旋波束一直没有得到有效的解决。目前可以通过螺旋相位板、超表面、全息相位板、液晶、阵列天线等结构在太赫兹波段产生涡旋波束，但是这些方法均仍存在以下这些问题需要解决：一、结构的参数一旦确定后，器件所产生的涡旋波束的涡旋模式调节起来比较困难，不利于多模涡旋波束的应用；二、这些器件均操纵和转化已有的太赫兹波束，由于太赫兹器件的匮乏以及太赫兹波具有比较强的衍射效应，这些方法无法产生纯度较高的太赫兹涡旋波束；三、由于超表面结构是基于谐振原理工作的，因此它只能工作于谐振点附近，工作带宽窄；四、这些结构所激发的涡旋波束的辐射方向难以进行调节；五、对于阵列和天线结构，馈电网络复杂和体积庞大，不易于实现紧凑的结构。中国专利申请号202010357771.1中提供的OAM模式辐射器，是基于人工表面等离激元原理工作的宽带涡旋波束辐射器，馈源馈入的能量会在所辐射的涡旋波束的所有频点上近乎均匀的分布，无法实现单频点精确的能量转化，存在频谱能量发散的问题。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法；本发明通过群聚电子束的方法实现单频点能量的增强，产生能够在较宽频带内调谐的能量集中的单频点涡旋波束辐射，解决了能量在频谱上发散的问题，提高了系统在工作频点上的能量转化效率；本发明能够分别在多个频段内实现多涡旋模式的涡旋波束的激励；所产生的涡旋波束的涡旋模式由频段确定；向空间辐射的方向由工作频点确定；通过调节电子束的工作电压，本方法能够实现涡旋波束的多模宽带调谐和波束扫描。

本发明的一个目的在于提出一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源。

本发明的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源位于真空系统中，包括：环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅、环形金属收集极和静磁场装置；其中，沿着电子束运动方向，圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体；在圆柱光栅的头部发射端口设置环形直流电子发射源，在螺旋光栅的尾部收集端口设置环形金属收集极；静磁场装置提供均匀磁场，磁场方向沿着电子束运动方向，环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅和环形金属收集极处在均匀磁场中；圆柱光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的环形槽，周期为p，槽宽为a，外径和内径分别为R₁和R₂，周期数为Q；金属圆柱的长度为L，外径为R₁，与圆柱光栅的外径相同；螺旋光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为p，槽宽为a，与圆柱光栅的周期和槽宽一致，外径与圆柱光栅的外径相同为R₁，圆柱光栅的内径为R₃，周期数为N；

环形直流电子发射源发射出环形直流电子束，电子束电压为U，电流密度为J；环形直流电子束在静磁场装置所提供的沿着电子束运动方向的均匀磁场作用下沿着圆柱光栅表面飞行；环形直流电子束附近的宽带消逝波将会在圆柱光栅表面激励起人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon，SSP)，SSP的频率为f₁，并且环形直流电子束会与SSP发生互作用；环形直流电子束的电流密度J越高，互作用强度越大，当环形直流电子束与SSP的互作用强度足够大时，环形直流电子束将以SSP的频率f₁进行群聚，称为周期群聚的环形电子束；周期群聚的环形电子束经过金属圆柱传输至螺旋光栅，利用金属圆柱减少圆柱光栅与螺旋光栅之间SSP的耦合；周期群聚的环形电子束飞过螺旋光栅表面时，由于螺旋光栅具有螺旋性，根据螺旋光栅的布洛赫定理(Bloch’s Theorem)，环形电子束附近的宽带消逝波在螺旋光栅的衍射下将产生一系列携带涡旋性的空间谐波，携带涡旋性的各次空间谐波之间具有不同的波失，相邻的两个空间谐波之间相差的波矢为2π/p，每个空间谐波的频谱都是包含所有频点的；根据布里渊区折叠效应，当这些空间谐波的波矢与自由空间的波矢在辐射频段内匹配时，匹配的辐射频段内的空间谐波将转化为向自由空间辐射的涡旋波束；不同的空间谐波携带不同的涡旋性，不同的空间谐波所对应的辐射频段也不同，因此产生的涡旋波束的涡旋性与辐射频段是直接相关的；并且由于与螺旋光栅互作用的环形电子束是以圆柱光栅的SSP的频率f₁群聚的，因此环形电子束附近的空间谐波的能量将会在SSP的频率f₁及其n次工作谐波频率f_n上得到显著的增强，f_n＝n f₁，n为工作谐波的阶数；当n次工作谐波频率f_n位于辐射频段内时，在n次工作谐波频率f_n处辐射的涡旋波束的强度会远大于其他频点的强度，产生一种工作在SSP的n次工作谐波频率f_n的相干的涡旋波束辐射；这种辐射是一种相干的涡旋史密斯-珀赛尔辐射(Smith-Purcell radiation,SPR)，依据SPR的辐射关系，辐射的方向是与辐射的频率有关的，由于圆柱光栅表面的SSP具有一定的频率带宽，因此通过调节环形电子束的电子束电压U，能够改变所激励的圆柱光栅表面的SSP的频率f₁，从而产生群聚频率不同的环形电子束，实现通过调节电压改变向自由空间辐射的涡旋波束的频率，达到涡旋波束扫描的目的；涡旋波束的涡旋性与螺旋光栅的手性一致；并且，通过调节电子束电压U，改变SSP的频率f₁，导致n次工作谐波频率f_n发生变化，n次工作谐波频率f_n将位于不同的空间谐波的辐射区域内，由于每一个空间谐波的辐射区域对应不同的涡旋模式，从而实现控制辐射涡旋波束的涡旋模式。

圆柱光栅用于对直流电子束进行群聚，螺旋光栅用于将布洛赫波转化为涡旋辐射，在对这两部分进行加工的时候应该综合考虑加工的精度、难度、成本和能够实现的性能。由于此结构的工作在太赫兹波段，考虑到欧姆损耗和材料成本，金属圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅以及环形收集的材料采用无氧铜、铝、铝合金或银。考虑到太赫兹的波长位于0.01～1mm之间，圆柱光栅和螺旋光栅的周期p≤1mm，外径R₁＝p；考虑到对SSP的有效局附性，宽度0.3p≤a≤0.7p，圆柱光栅和螺旋光栅的内径R₂≤0.5R₁，R₃≤0.5R₁。

环形直流电子发射源包括发射源壳体、环形阴极和环形阳极；其中，发射源壳体的表面形状为圆形，半径R_C满足1.1R₁≤R_C≤2R₂；发射源壳体内设置环形阴极和环形阳极，环形阴极朝向圆柱光栅，环形阴极的内径为R₁，与圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅的外径一致，环形阴极的外径R_cat满足1.1R₁≤R_cat≤1.2R₁；环形阴极和环形阳极之间施加电子束电压U。

环形金属收集极包括金属收集极壳体以及接地装置；环形的金属收集极壳体的内径和外径分别为R₁和外径R_S，外径R_S满足1.1R₁≤R_S≤1.5R₁，厚度为L_a，金属收集极壳体连接接地装置。

电子束的电流密度J越高，电子束与SSP的互作用越大，当电子束的电流密度J≥120A/cm²，环形直流电子束与SSP的互作用足够强烈，使得环形直流电子束发生群聚，称为环形周期群聚的电子束。

金属圆柱的长度L≥0.5mm，从而减少圆柱光栅的SSP与螺旋光栅的SSP的耦合。

涡旋波束的涡旋性与螺旋光栅的手性是一致的。在基于右手螺旋的螺旋光栅的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源中，所辐射的涡旋波束是具有右手螺旋旋性；而在基于左手螺旋的螺旋光栅的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源中，所辐射的涡旋波束则是具有左手螺旋旋性。因此，所激发的涡旋波束的旋性与螺旋光栅的旋性是一致的，具有很强的鲁棒性。

本发明的另一个目的在于提出一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源的控制方法。

本发明的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源的控制方法，包括以下步骤：

1)环形直流电子发射源发射出环形直流电子束，电子束电压为U，电流密度为J；

2)环形直流电子束在静磁场装置所提供的沿着电子束运动方向的均匀磁场作用下沿着圆柱光栅表面飞行；

3)环形直流电子束附近的宽带消逝波将会在圆柱光栅表面激励起人工表面等离激元SSP，SSP的频率为f₁，并且环形直流电子束会与SSP发生互作用；环形直流电子束的电流密度J越高，互作用的强度越大，当环形直流电子束与SSP的互作用足够强时，环形直流电子束将以SSP的频率f₁进行群聚，称为周期群聚的环形电子束；

4)周期群聚的环形电子束将经过金属圆柱传输至螺旋光栅，利用金属圆柱减少圆柱光栅与螺旋光栅之间SSP的耦合；

5)周期群聚的环形电子束飞过螺旋光栅表面时，由于螺旋光栅具有螺旋性，根据螺旋光栅的布洛赫定理，环形电子束附近的宽带消逝波在螺旋光栅的衍射下产生一系列携带涡旋性的空间谐波，携带涡旋性的各次空间谐波之间具有不同的波失，相邻的两个空间谐波之间相差的波矢为2π/p，每个空间谐波的频谱都是包含所有频点的；在右手旋性的螺旋光栅中，具有涡旋性的布洛赫波表示为：

其中，r、

和z分别为圆柱坐标系的坐标，R(r)为螺旋系的坐标，

和A_z ^l分别为关于

和z的布洛赫空间谐波的系数，l为电子束附近的宽带消逝波经螺旋光栅衍射后的空间谐波的阶数，k_z为电磁波z向的波数，p为螺旋光栅的周期，k_z－2lπ/p为第l次空间谐波的波数，

为角向的相位表达式，表征在一个周期内电磁波波前变化l次，由于具有此相位因子，第l次空间谐波将携带有大小为l的拓扑荷(Topological charge,TC)，即TC＝l；而当螺旋光栅为左手旋性时，第l次空间谐波的TC＝－l；

6)根据布里渊区折叠效应，电子束附近的宽带消逝波经螺旋光栅衍射后的l<0的每一阶空间谐波一定有一个对应的辐射频段满足SPR的辐射要求，即这些空间谐波的波矢与自由空间的波矢匹配，将转化为向自由空间辐射的涡旋波束；不同的空间谐波携带不同的涡旋性，不同的空间谐波的辐射频段也不同，因此产生的涡旋波束的涡旋性与辐射频段是直接相关的，由于每个空间谐波的辐射频段是分离开的，因此每个辐射频段内仅有一个模式的涡旋波束辐射，保证了涡旋波束的模式纯度高；

7)由于与螺旋光栅互作用的环形电子束是以圆柱光栅的SSP频率f₁群聚的，因此环形电子束附近的空间谐波的能量将会在SSP频率f₁及其n次工作谐波频率f_n上得到显著的增强，f_n＝n f₁，n为工作谐波的阶数，并且随着谐波阶数的提高，其强度逐渐降低；

8)通过控制SSP的n次工作谐波频率f_n，使其恰好位于衍射后的第l次空间谐波的SPR辐射频段内，则在n次工作谐波频率f_n将处产生拓扑荷大小为l的相干的涡旋波束辐射，并且n次工作谐波频率f_n处辐射的涡旋波束的强度会远大于其他频点的强度；

9)产生的涡旋波束是一种相干的涡旋史密斯-珀赛尔辐射SPR，依据SPR的辐射关系，辐射的方向是与辐射的频率有关的，在n次工作谐波频率f_n处的辐射方向与电子束运动方向之间的夹角θ满足关系：

其中，k_z是与n次工作谐波频率f_n对应的纵向波数，θ为涡旋波束辐射方向与电子束运动方向的夹角；

并且由于圆柱光栅表面的SSP具有一定的频率带宽，因此通过调节环形电子束的电子束电压U，能够改变圆柱光栅表面的SSP的频率f₁，从而产生群聚频率不同的环形电子束，实现通过调节电压改变向自由空间辐射的涡旋波束的频率，达到涡旋波束扫描的目的；

10)涡旋波束的旋性与螺旋光栅的手性一致；

11)通过调节电子束电压U，改变SSP的频率f₁，将导致n次工作谐波频率f_n发生变化，使得n次工作谐波频率f_n位于不同的空间谐波的辐射区域内，由于每一个空间谐波的辐射区域对应不同的涡旋模式，从而实现涡旋模式的控制。

进一步，当调节电子束的工作电压时，由于圆柱光栅的SSP能够工作在一个较宽的频带范围内，即SSP的频率f₁具有宽带的特性，因此其n次工作谐波频率f_n也能够随电子束的工作电压在较宽的频带范围内调节，从而实现波束扫描和模式调节的宽带调谐的性能。

其中，在步骤10)中，涡旋波束的旋性与螺旋光栅的手性一致，即如果螺旋光栅的旋性是右旋，那么所激励的涡旋波束的旋性也是右旋；如果螺旋光栅的旋性是左旋，那么所激励的涡旋波束的旋性也是左旋。

本发明的优点：

本发明采用真空电子学的方法直接产生太赫兹涡旋波束，而不是通过对已有的太赫兹波束进行操纵和转化，避免了太赫兹器件匮乏和太赫兹波强衍射的问题，将传统的太赫兹波束源和太赫兹波束转化为涡旋波束的两段结构集成在一起，直接构成太赫兹涡旋波束源；相比于阵列和天线结构，只需要环形阴极和静磁场即可，不需要复杂的馈源电路；相比于基于超材料的涡旋波束辐射器，本发明所产生的太赫兹涡旋波束可以工作在超宽频带范围内；相比于目前在太赫兹波段产生涡旋波束的结构，本发明可以实现在宽带范围内对太赫兹涡旋波束进行模式调谐和波束扫描；最后，本发明所产生的涡旋波束的旋性仅与螺旋周期结构的旋性有关，所产生的涡旋波束具有很强的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源的一个实施例的示意图，其中，(a)为外观图，(b)为剖面图；

图2为根据本发明的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源的一个实施例得到的布里渊区图，其中，(a)为20keV电子能量下工作的色散图，(b)为10keV电子能量下工作的色散图；

图3为根据本发明的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源的一个实施例得到的20keV电子能量下直流电子束与SSP互作用群聚的相空间分布图；

图4为根据本发明的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源在20keV和10keV电子能量下工作在二次谐波和三次谐波的涡旋波束电场分布图，其中，(a)和(b)分别为20keV电子能量下工作的场分布图和模式纯度图，(c)和(d)分别为10keV电子能量下工作的场分布图和模式纯度图；

图5为根据本发明的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源的一个实施例在调谐电压时的工作谐波频率和辐射方向的分布图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源位于真空系统中，包括：环形直流电子发射源1、圆柱光栅2、金属圆柱3、螺旋光栅4、环形金属收集极5和静磁场装置；其中，沿着电子束运动方向，圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体；在圆柱光栅的头部发射端口设置环形直流电子发射源，在螺旋光栅的尾部收集端口设置环形金属收集极；静磁场装置提供均匀的磁场，磁场方向沿着电子束运动方向，环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅、环形金属收集极和静磁场装置处在均匀磁场中；圆柱光栅具有周期环形槽的金属圆柱结构，周期为p，槽宽为a，外径和内径分别为R₁和R₂，周期数为Q；金属圆柱的长度为L，外径为R₁，与圆柱光栅的外径相同；螺旋光栅是在圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为p，槽宽为a，与圆柱光栅的周期与槽宽一致，外径和内径分别为R₁和R₃，外径与圆柱光栅的外径相同，周期数为N。

在本实施例中，环形阴极的内径和外径分别为R₁＝0.3mm，R_cat＝0.33mm，圆柱光栅的外径和内径分别为R₁＝0.3mm，R₂＝0.063mm，周期和槽宽分别为p＝0.3mm，a＝0.15mm，长度为L₁＝19p＝5.7mm；金属圆柱的外径和长度分别为R₁＝0.3mm，L₂＝1mm；螺旋光栅的外径和内径分别为R₁＝0.3mm，R₃＝0.03mm，周期和槽宽分别为p＝0.3mm，a＝0.15mm，长度为L₃＝15p＝4.5mm；环形金属收集极的环形的金属收集极壳体的外径、内径和厚度分别为R_S＝0.33mm，R₁＝0.3mm，L_a＝0.1mm。

本实施例的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源的控制方法，包括以下步骤：

1)环形直流电子发射源发射出环形直流电子束，电子束电压为U，电流密度为J；

2)环形直流电子束在静磁场装置提供的沿着电子束运动方向均匀的磁场作用下沿着圆柱光栅表面飞行；

3)环形直流电子束附近的宽带消逝波将会在圆柱光栅表面激励起人工表面等离激元SSP，SSP的频率为f₁，并且环形直流电子束与SSP发生互作用；环形直流电子束的电流密度J越高，互作用的强度越大，当环形直流电子束与SSP的互作用足够强时，环形直流电子束将以SSP的频率f₁进行群聚，称为周期群聚的环形电子束；

4)周期群聚的环形电子束将经过金属圆柱传输至螺旋光栅，利用金属圆柱减少圆柱光栅与螺旋光栅之间SSP的耦合；

5)周期群聚的环形电子束飞过螺旋光栅表面时，由于螺旋光栅具有螺旋性，根据螺旋光栅的布洛赫定理，环形电子束附近的宽带消逝波在螺旋光栅的衍射下将产生一系列携带涡旋性的空间谐波，携带涡旋性的各次空间谐波之间具有不同的波失，相邻的两个空间谐波之间相差的波矢为2π/p，每个空间谐波的频谱都是包含所有频点的；在右手旋性的螺旋光栅中，具有涡旋性的布洛赫波表示为：

其中，r、

和z分别为圆柱坐标系的坐标，R(r)为螺旋系的坐标，

和A_z ^l分别为关于

和z的布洛赫空间谐波的系数，l为电子束附近的宽带消逝波经螺旋光栅衍射后的空间谐波的阶数，k_z为电磁波z向的波数，p为螺旋光栅的周期，k_z－2lπ/p为第l次空间谐波的波数，

为角向的相位表达式，表征在一个周期内电磁波波前变化l次，由于具有此相位因子，第l次空间谐波将携带有大小为l的拓扑荷(Topological charge,TC)，即TC＝l；而当螺旋光栅为左手旋性时，第l次空间谐波的TC＝－l；

6)根据布里渊区折叠效应，电子束附近的宽带消逝波经螺旋光栅衍射后的l<0的每一阶空间谐波一定有一个对应的辐射频段满足SPR的辐射要求，即这些空间谐波的波矢与自由空间的波矢匹配，则转化为向自由空间辐射的涡旋波束；不同的空间谐波携带不同的涡旋性，不同的空间谐波的辐射频段也不同，因此产生的涡旋波束的涡旋性与辐射频段是直接相关的；由于每个空间谐波的辐射频段是分离开的，因此每个辐射频段内仅有一个模式的涡旋波束辐射，保证了涡旋波束的模式纯度高；

7)由于与螺旋光栅互作用的环形电子束是以圆柱光栅的SSP频率f₁群聚的，因此环形电子束附近的空间谐波的能量将会在SSP频率f₁及其n次工作谐波频率f_n上得到显著的增强，f_n＝n f₁，n为工作谐波的阶数，并且随着谐波阶数的提高，其强度逐渐降低；

8)通过控制SSP的n次工作谐波频率f_n，使其恰好位于衍射后的第l次空间谐波的SPR辐射频段内，则在n次工作谐波频率f_n将处产生拓扑荷大小为l的相干的涡旋波束辐射，并且n次工作谐波频率f_n处辐射的涡旋波束的强度会远大于其他频点的强度；

9)产生的涡旋波束是一种相干的涡旋史密斯-珀赛尔辐射SPR，依据SPR的辐射关系，辐射的方向是与辐射的频率有关的，在n次工作谐波频率f_n处的辐射方向与电子束运动方向之间的夹角θ满足SPR的辐射经验公式：

其中，k_z是与工作谐波频率f_n对应的纵向波数，θ为涡旋波束辐射方向与电子束运动方向的夹角；

并且由于圆柱光栅表面的SSP具有一定的频率带宽，因此通过调节环形电子束的电子束电压U，能够改变圆柱光栅表面的SSP的频率f₁，从而产生群聚频率不同的环形电子束，实现通过调节电压改变向自由空间辐射的涡旋波束的频率，达到涡旋波束扫描的目的；

10)涡旋波束的旋性与螺旋光栅的手性一致，即如果螺旋光栅的旋性是右旋，那么所激励的涡旋波束的旋性也是右旋；如果螺旋光栅的旋性是左旋，那么所激励的涡旋波束的旋性也是左旋；

11)通过调节电子束电压U，改变SSP的频率f₁，将导致n次工作谐波频率f_n发生变化，使得n次工作谐波频率f_n位于不同的空间谐波的辐射区域内，由于每一个空间谐波的辐射区域对应不同的涡旋模式，从而实现涡旋模式的控制；

12)当调节电子束的工作电压时，由于圆柱光栅的SSP能够工作在一个较宽的频带范围内，即SSP的频率f₁具有宽带的特性，因此其n次工作谐波频率f_n也能够随电子束的工作电压在较宽的频带范围内调节，从而实现波束扫描和模式调节的宽带调谐的性能。

整个涡旋波束辐射结构的布里渊图如图2所示，点横线表示不同谐波下真空中的光线，相邻两条光线以下形成的三角区域为慢波区，相邻两条光线以上形成的倒三角区域为辐射区。在慢波区，电磁波的纵向波矢大于自由空间波矢，相速度小于光速，电磁波被局域在结构表面；而在辐射区，电磁波的纵向波矢大于自由空间波矢，相速度大于光速，能够形成自由空间的辐射。布里渊区中的实线和虚线分别表示电子束的色散线和圆柱光栅的色散线。

当直流电子能量为20keV时，从阴极发射出的电子束会在圆柱光栅表面激励起圆柱光栅的SSP，其频率由图2(a)中的能量为20keV时SSP的频点S1所确定的光栅的SSP频率f₁＝0.162THz。当直流电子束的电流密度为J＝150A/cm²时，电子束与SSP之间的互作用将会变得足够强，导致了直流电子束在光栅的SSP频率f₁＝0.162THz处产生周期性的群聚，变为周期群聚的电子束，群聚结果如图3的电子束相空间分布图所示。根据公式(1)，当群聚后的电子束飞过螺旋周期结构表面时，周期群聚电子束所携带的消逝波经螺旋周期结构衍射后的空间谐波将具有涡旋性，其对应的TC的大小与空间谐波的阶次的大小相同；当这些空间谐波位于辐射区域内时，即可辐射出涡旋波束。由于二次工作谐波频率为f₂＝0.324THz，位于－1次空间谐波的辐射区间内；三次工作谐波频率为f₃＝0.487THz，位于－2次空间谐波的辐射区间内。因此，太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源将会在工作谐波频率分别为二次工作谐波频率f₂＝0.324THz和三次工作谐波频率f₃＝0.487THz处产生TC＝－1和TC＝－2的涡旋波束辐射。并且由于电子束在SSP的频率f₁处群聚，其二次谐波和三次谐波的能量也会得到增强，因此在二次工作谐波频率f₂和三次工作谐波频率f₃处将产生相干的辐射，通过图(2)(a)中右图由螺旋周期结构上方探针探测到的频谱图可以验证这一点，即二次工作谐波频率f₂和三次工作谐波频率f₃处的频谱值要远远大于其他频谱处的能量。由于谐波的能量随着工作谐波的阶次升高而逐渐降低，因此由位于－1次空间谐波区域的二次工作谐波所激发的TC＝－1的涡旋波束是占主导的，也可由图(2)(a)中右图得到验证。此时，涡旋波束横截面场分布、横截面相位分布、侧截面场分布和远场辐射方向由图4(a)的四张图按照顺时针的方向表示出来。由横截面的场分布和相位分布可知系统确实产生了TC＝－1的涡旋波束辐射；由侧截面的场分布和远场辐射方向图可知此时辐射的方向与z方向的夹角为54°，与SPR的辐射经验公式一致：

其中，k_z是与n次工作谐波频率f_n对应的纵向波束，θ为涡旋波束辐射方向与电子束运动方向(z向)的夹角。为了进一步验证涡旋波束的性能，还对TC＝－1的涡旋波束的模式纯度进行了计算，结果如图4(b)所示，拓扑荷为－1的分量的纯度高达0.9，显示了其优异的性能。

当直流电子能量为10keV时，从阴极发射出的电子束也会在圆柱光栅表面激励起圆柱光栅的SSP，其频率由图2(c)中的能量为10keV时SSP的频点T1所确定的光栅的SSP频率f₁＝0.140THz。与20keV时类似，当电子束与SSP之间的互作用足够强时，直流电子束将在光栅的SSP频率f₁处产生周期性的群聚，变为周期群聚的电子束。当周期群居的电子束飞过螺旋周期结构时，由于二次工作谐波频率为f₂＝0.281THz，位于慢波区间内，无法辐射；而三次工作谐波频率为f₃＝0.487THz，位于－2次空间谐波的辐射区间内，将会在三次工作谐波频率f₃＝0.487THz处产生TC＝－2的涡旋波束辐射。并且由于电子束在光栅的SSP频率f₁处群聚，其三次谐波的能量也会得到增强，因此将在三次工作谐波频率f₃处将产生相干的辐射，通过图(2)(b)中右图由螺旋周期结构上方探针探测到的频谱图可以验证这一点，即三次工作谐波频率f₃处的频谱值要远远大于其他频谱处的能量。此时，涡旋波束横截面场分布、横截面相位分布、侧截面场分布和远场辐射方向由图4(c)的四张图按照顺时针的方向表示出来。由横截面的场分布和相位分布可知系统确实产生了TC＝－2的涡旋波束辐射；由侧截面的场分布和远场辐射方向图可知此时辐射的方向与z方向的夹角为67°，与SPR的辐射经验公式一致：

为了进一步验证涡旋波束的性能，还对TC＝－2的涡旋波束的模式纯度进行了计算，结果如图4(d)所示，拓扑荷为－2的分量的纯度高达0.8，显示了其优异的性能。

通过将直流的电子能量从6.5keV逐渐调节到34.25keV时，可以得到如图5所示的涡旋模式调谐和波束扫描的特性。当电子束的电压在6.5keV和15keV之间调节时，将会产生TC＝－2的涡旋波束辐射，其辐射角度可以在18°至97.2°之间调节。当电子束电压在15keV和34.25keV之间调节时，将会产生TC＝－1的涡旋波束辐射，其辐射角度可以在26.6°至89.9°之间调节。因此，可以通过调节电子束的电压实现对涡旋波束的模式调节和波束扫描特性。上面的调谐特性被总结在表1中。

表1调谐特性

该方案通过调节直流的电子能量，可以有效地在太赫兹波段产生涡旋模式和辐射方向可调谐的高纯度相干涡旋波束辐射，并且具有很宽的调谐带宽。此外，该方案的工作谐波频率不仅限于太赫兹波段，由于电磁波的缩放效应，通过对该结构中的尺寸进行等比例缩放，可以应用于诸如微波、中红外等各个波段。最后，该方案的设计简单、结构紧凑，所产生的涡旋波束具有很强的鲁棒性，可以推动太赫兹涡旋波束的应用和发展。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源位于真空系统中，包括：环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅、环形金属收集极和静磁场装置；其中，沿着电子束运动方向，圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体；在圆柱光栅的头部发射端口设置环形直流电子发射源，在螺旋光栅的尾部收集端口设置环形金属收集极；静磁场装置提供均匀磁场，磁场方向沿着电子束运动方向，环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅和环形金属收集极处在均匀磁场中；圆柱光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的环形槽，周期为p，槽宽为a，外径和内径分别为R₁和R₂，周期数为Q；金属圆柱的长度为L，外径为R₁，与圆柱光栅的外径相同；螺旋光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为p，槽宽为a，与圆柱光栅的周期和槽宽一致，外径与圆柱光栅的外径相同为R₁，圆柱光栅的内径为R₃，周期数为N；

环形直流电子发射源发射出环形直流电子束，电子束电压为U，电流密度为J；环形直流电子束在静磁场装置所提供的沿着电子束运动方向的均匀磁场作用下沿着圆柱光栅表面飞行；环形直流电子束附近的宽带消逝波将会在圆柱光栅表面激励起人工表面等离激元SSP，SSP的频率为f₁，并且环形直流电子束会与SSP发生互作用；环形直流电子束的电流密度J越高，互作用强度越大，当环形直流电子束与SSP的互作用强度足够大时，环形直流电子束将以SSP的频率f₁进行群聚，称为周期群聚的环形电子束；周期群聚的环形电子束经过金属圆柱传输至螺旋光栅，利用金属圆柱减少圆柱光栅与螺旋光栅之间SSP的耦合；周期群聚的环形电子束飞过螺旋光栅表面时，由于螺旋光栅具有螺旋性，根据螺旋光栅的布洛赫定理，环形电子束附近的宽带消逝波在螺旋光栅的衍射下将产生一系列携带涡旋性的空间谐波，携带涡旋性的各次空间谐波之间具有不同的波失，相邻的两个空间谐波之间相差的波矢为2π/p，每个空间谐波的频谱都是包含所有频点的；根据布里渊区折叠效应，当这些空间谐波的波矢与自由空间的波矢在辐射频段内匹配时，匹配的辐射频段内的空间谐波将转化为向自由空间辐射的涡旋波束；不同的空间谐波携带不同的涡旋性，不同的空间谐波所对应的辐射频段也不同，因此产生的涡旋波束的涡旋性与辐射频段是直接相关的；并且由于与螺旋光栅互作用的环形电子束是以圆柱光栅的SSP的频率f₁群聚的，因此环形电子束附近的空间谐波的能量将会在SSP的频率f₁及其n次工作谐波频率f_n上得到显著的增强，f_n＝nf₁，n为工作谐波的阶数；当n次工作谐波频率f_n位于辐射频段内时，在n次工作谐波频率f_n处辐射的涡旋波束的强度会远大于其他频点的强度，产生一种工作在SSP的n次工作谐波频率f_n的相干的涡旋波束辐射；这种辐射是一种相干的涡旋史密斯-珀赛尔辐射SPR，依据SPR的辐射关系，辐射的方向是与辐射的频率有关的，由于圆柱光栅表面的SSP具有一定的频率带宽，因此通过调节电子束电压U，能够改变所激励的圆柱光栅表面的SSP的频率f₁，从而产生群聚频率不同的环形电子束，实现通过调节电压改变向自由空间辐射的涡旋波束的频率，达到涡旋波束扫描的目的；涡旋波束的涡旋性与螺旋光栅的手性一致；并且，通过调节电子束电压U，改变SSP的频率f₁，导致n次工作谐波频率f_n发生变化，n次工作谐波频率f_n将位于不同的空间谐波的辐射区域内，由于每一个空间谐波的辐射区域对应不同的涡旋模式，从而实现控制辐射涡旋波束的涡旋模式。

2.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述金属圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅以及环形收集的材料采用无氧铜无氧铜、铝、铝合金或银。

3.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述圆柱光栅和螺旋光栅的周期p≤1mm，外径R₁＝p，槽宽a满足0.3p≤a≤0.7p，圆柱光栅的内径R₂≤0.5R₁，螺旋光栅的内径R₃≤0.5R₁。

4.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述环形直流电子发射源包括发射源壳体、环形阴极和环形阳极；其中，发射源壳体的表面形状为圆形，半径R_C满足1.1R₁≤R_C≤2R₂；发射源壳体内设置环形阴极和环形阳极，环形阴极朝向圆柱光栅，环形阴极的内径为R₁，与圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅的外径一致，环形阴极的外径R_cat满足1.1R₁≤R_cat≤1.2R₁；环形阴极和环形阳极之间施加电子束电压U。

5.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述环形金属收集极包括金属收集极壳体以及接地装置；环形的金属收集极壳体的内径和外径分别为R₁和外径R_S，外径R_S满足1.1R₁≤R_S≤1.5R₁，金属收集极壳体连接接地装置。

6.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，电子束的电流密度J≥120A/cm²，环形直流电子束与SSP的互作用足够强烈，使得环形直流电子束发生群聚。

7.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述金属圆柱的长度L≥0.5mm，从而减少圆柱光栅的SSP与螺旋光栅的SSP的耦合。

8.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，在基于右手螺旋的螺旋光栅的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源中，所辐射的涡旋波束是具有右手螺旋旋性；而在基于左手螺旋的螺旋光栅的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源中，所辐射的涡旋波束则是具有左手螺旋旋性。

9.一种如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)环形直流电子发射源发射出环形直流电子束，电子束电压为U，电流密度为J；

2)环形直流电子束在静磁场装置所提供的沿着电子束运动方向的均匀磁场作用下沿着圆柱光栅表面飞行；

3)环形直流电子束附近的宽带消逝波将会在圆柱光栅表面激励起人工表面等离激元SSP，SSP的频率为f₁，并且环形直流电子束会与SSP发生互作用；环形直流电子束的电流密度J越高，互作用的强度越大，当环形直流电子束与SSP的互作用足够强时，环形直流电子束将以SSP的频率f₁进行群聚，称为周期群聚的环形电子束；

4)周期群聚的环形电子束将经过金属圆柱传输至螺旋光栅，利用金属圆柱减少圆柱光栅与螺旋光栅之间SSP的耦合；

5)周期群聚的环形电子束飞过螺旋光栅表面时，由于螺旋光栅具有螺旋性，根据螺旋光栅的布洛赫定理，环形电子束附近的宽带消逝波在螺旋光栅的衍射下产生一系列携带涡旋性的空间谐波，携带涡旋性的各次空间谐波之间具有不同的波失，相邻的两个空间谐波之间相差的波矢为2π/p，每个空间谐波的频谱都是包含所有频点的；在右手旋性的螺旋光栅中，具有涡旋性的布洛赫波表示为：

其中，r、

和z分别为圆柱坐标系的坐标，R(r)为螺旋系的坐标，

和A_z ^l分别为关于

和z的布洛赫空间谐波的系数，l为电子束附近的宽带消逝波经螺旋光栅衍射后的空间谐波的阶数，k_z为电磁波z向的波数，p为螺旋光栅的周期，k_z－2lπ/p为第l次空间谐波的波数，

为角向的相位表达式，表征在一个周期内电磁波波前变化l次，由于具有此相位因子，第l次空间谐波将携带有大小为l的拓扑荷TC，即TC＝l；而当螺旋光栅为左手旋性时，第l次空间谐波的TC＝－l；

6)根据布里渊区折叠效应，电子束附近的宽带消逝波经螺旋光栅衍射后的l<0的每一阶空间谐波一定有一个对应的辐射频段满足SPR的辐射要求，即这些空间谐波的波矢与自由空间的波矢匹配，将转化为向自由空间辐射的涡旋波束；不同的空间谐波携带不同的涡旋性，不同的空间谐波的辐射频段也不同，因此产生的涡旋波束的涡旋性与辐射频段是直接相关的，由于每个空间谐波的辐射频段是分离开的，因此每个辐射频段内仅有一个模式的涡旋波束辐射，保证了涡旋波束的模式纯度高；

7)由于与螺旋光栅互作用的环形电子束是以圆柱光栅的SSP频率f₁群聚的，因此环形电子束附近的空间谐波的能量将会在SSP频率f₁及其n次工作谐波频率f_n上得到显著的增强，f_n＝n f₁，n为工作谐波的阶数，并且随着谐波阶数的提高，其强度逐渐降低；

8)通过控制SSP的n次工作谐波频率f_n，使其恰好位于衍射后的第l次空间谐波的SPR辐射频段内，则在n次工作谐波频率f_n将处产生拓扑荷大小为l的相干的涡旋波束辐射，并且n次工作谐波频率f_n处辐射的涡旋波束的强度会远大于其他频点的强度；

9)产生的涡旋波束是一种相干的涡旋史密斯-珀赛尔辐射SPR，依据SPR的辐射关系，辐射的方向是与辐射的频率有关的，在n次工作谐波频率f_n处的辐射方向与电子束运动方向之间的夹角θ满足关系：

其中，k_z是与n次工作谐波频率f_n对应的纵向波数，θ为涡旋波束辐射方向与电子束运动方向的夹角；

并且由于圆柱光栅表面的SSP具有一定的频率带宽，因此通过调节电子束电压U，能够改变圆柱光栅表面的SSP的频率f₁，从而产生群聚频率不同的环形电子束，实现通过调节电压改变向自由空间辐射的涡旋波束的频率，达到涡旋波束扫描的目的；

10)涡旋波束的旋性与螺旋光栅的手性一致；

11)通过调节电子束电压U，改变SSP的频率f₁，将导致n次工作谐波频率f_n发生变化，使得n次工作谐波频率f_n位于不同的空间谐波的辐射区域内，由于每一个空间谐波的辐射区域对应不同的涡旋模式，从而实现涡旋模式的控制。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在步骤10)中，涡旋波束的旋性与螺旋光栅的手性一致，即如果螺旋光栅的旋性是右旋，那么所激励的涡旋波束的旋性也是右旋；如果螺旋光栅的旋性是左旋，那么所激励的涡旋波束的旋性也是左旋。

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