CN113013003B - 一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，包括电子枪、介质光栅、介质平板波导和收集极。该辐射通过电子枪产生连续电子束，电子束紧贴介质光栅上方掠过时激励起介质光栅内部的谐振模式，进而反作用于连续电子束，使其群聚为电子团串，又进一步增强介质光栅的谐振模式的场强，从而导致相干振荡。谐振能量通过两个介质平板波导耦合输出。本发明利用连续电子束激励介质光栅内部产生相干振荡，具有易集成、可扩展和低成本等特点。
Description
技术领域
本发明涉及电磁技术领域，更具体的说，涉及一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统。
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靠的太赫兹辐射源，限制了太赫兹波的实际应用。
目前，国际上开发的THz源主要包括光子学辐射源、固态器件、真空电子器件等。基于切伦科夫、史密斯-帕赛尔等效应的真空电子器件具有高功率、高效率、可室温工作等优点，是极具发展前景的THz源。这类器件一般采用金属周期结构作为慢波系统。然而，由于尺寸共渡效应，太赫兹频段的真空电子器件慢波结构尺寸较小，加工比较困难，限制了真空电子器件的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统。该系统通过连续电子束与介质光栅的相互作用产生相干辐射，可获得较高的辐射强度与辐射效率，易于实现高密度硅基片上集成，并且利用介质光栅与介质平板波导之间的耦合，直接将谐振能量通过介质波导输出。
本发明的一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，包括电子枪、介质光栅、介质平板波导和收集极，所述的介质平板波导包括第一介质平板波导和第二介质平板波导；第一介质平板波导和第二介质平板波导结构相同。
所述电子枪与收集极相对设置，位于同一水平面上，第一介质平板波导、介质光栅和第二介质平板波导依次设置在电子枪与收集极之间，第一介质平板波导、介质光栅第二介质平板波导位于同一水平面内，且高度相同，介质光栅表面紧贴电子枪产生的连续电子束；
第一介质平板波导和第二介质平板波导为输出端口；
所述电子枪产生连续电子束，电子束紧贴着介质光栅上方掠过，最终进入收集极。连续电子束在介质光栅上方掠过时激励起光栅的谐振模式。该谐振模式的能量被限制在介质光栅内部及其周围，通过第一介质平板波导和第一介质平板波导耦合输出。该谐振模式在介质光栅内部及其周围产生非常强的电磁场反作用于连续电子束，使连续电子束群聚成电子团串，又进一步增强介质光栅的谐振模式的场强，导致相干振荡，从第一介质平板波导和第一介质平板波导中耦合输出更强的辐射能量。
进一步的，所述电子枪用于产生横截面为矩形的连续电子束，电子能量可以按要求设定。
进一步的，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。
所述高对比度介质光栅，由于高折射率材料与其周围的低折射率介质所导致的折射率在空间内分布突变，通过合理选择介质光栅参数，所述介质光栅内部模式在输入/输出平面干涉、彼此牢固耦合，使得介质光栅产生的极高品质因子的谐振模式，同时将谐振模式限制在高对比度介质光栅附近及其周围。
进一步的，所述第一介质平板波导和第二介质平板波导均为高对比度平板波导，包括上包层、芯层和下包层，上包层和下包层分别对应设置在芯层的上表面和下表面，芯层为矩形结构，采用高折射率介质材料，上包层和下包层为低折射率介质层，高对比度平板波导可有效地将耦合至介质平板波导的谐振模式限制在波导中及其周围。
所述的介质光栅为矩形周期性介质光栅，由此连续电子束与介质光栅的互作用所激励起的电磁场是由一系列不同的衍射模式的空间谐波组成的。其中0阶衍射模式的相速度v ph 与连续电子束速度v同步相等，即v=v ph ，因此利用0阶衍射模式可有效地将连续电子束群聚为电子团串，实现更高功率的输出。
值得说明的是，可使用0阶衍射模式的反射系数来反映介质光栅的谐振强度。介质光栅的谐振模式强度与0阶衍射模式的反射系数呈现正相关，其反射系数越高，对应的谐振模式的更快的积累能量，最终成为该介质光栅所激励起的主导模式，导致相干振荡，该0阶的反射系数可利用严格耦合波分析来获得。
所述的严格耦合波分析是一种广泛用于计算周期性介质光栅衍射的微分方法。将介质光栅当作周期调制的平面波导处理，通过Maxwell方程组和边界条件进行求解波导模式的本征方程，能够比较方便用来分析各衍射模式效率。
有益效果：本发明提供的一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统中，采用的介质光栅为高对比度介质光栅，利用介质光栅作为谐振器激励谐振模式；采用的第一介质平板波导和第二介质平板波导均为高对比度介质平板波导，利用介质平板波导将谐振模式能量有效地耦合输出。本发明结构更为简单，整个空腔可以是远小于半波长的超薄尺寸，更易实现自由电子激光系统的小型化。并且介质光栅内部的谐振模式能有效地通过位于光栅两侧的第一介质平板波导和第一介质平板波导耦合输出，使得本发明成为无传统高反射镜且兼顾输出功能的优异谐振器。
附图说明
图1是本发明的一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统示意图；
图2是仿真得到的相干辐射场分布图；
图3是仿真得到的第二介质平板波导处的输出能量时域图；
图4是仿真得到的光栅上表面y向磁场频域图；
图5是仿真得到的0阶反射轮廓的色散关系图。
其中，10、电子枪；20、介质光栅；301、第一介质平板波导；302、第二介质平板波导；40、收集极；50、连续电子束；60、电子团串。
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。
本发明的一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，如图1所示，电子枪10、介质光栅20、介质平板波导和收集极40，所述的介质平板波导包括第一介质平板波导301和第二介质平板波导302。
所述电子枪10与收集极40相对设置，位于同一水平面上，第一介质平板波导301、介质光栅20和第二介质平板波导302依次设置在电子枪10与收集极40之间，第一介质平板波导301、介质光栅20和第二介质平板波导302位于同一水平面内，且高度相同，介质光栅表面紧贴电子枪10产生的连续电子束50；第一介质平板波导301和第二介质平板波导302为输出端口；
所述介质光栅20为高对比度周期性矩阵介质光栅，所述介质平板波导为高对比度平板波导。
所述电子枪10产生的连续电子束50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。电子枪10与收集极40连线的方向为Z方向，所述x方向为平行于介质光栅20栅槽的方，Y方向为垂直于电子枪10与收集极40连线的方向。
电子枪10产生的连续电子束50紧贴着介质光栅20上方掠过，激励起介质光栅20的谐振模式。该谐振模式的能量通过介质光栅20与介质平板波导之间的耦合输出，同时，该谐振模式在介质光栅20附近产生非常强的电磁场反作用于连续电子束50，使其群聚成为电子团串60。电子团串60的形成又会进一步增强谐振模式的场强，最终在介质光栅20内部形成高强度的相干辐射。
所述的电子团串60利用介质光栅20的高0阶反射系数的谐振模式群聚所得，如图1所示。由于该谐振模式沿z方向的周期性满足k z0 L=π，使得电子团串60之间的间隔为一个光栅周期2L。
在本实施例中具体的，电子枪10产生连续电子束50，电子能量为100千电子伏，电子束x方向的厚度为0.137毫米，电子束y方向的宽度为1毫米，电子发射密度为50安培每平方厘米，连续电子束50与周期性矩形介质光栅20的距离为0。
图5中所示的黑色星号处，取介质光栅20的周期为0.274毫米，光栅占空比为0.76，光栅厚度为0.274毫米，光栅周期数为40，其中介质光栅20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0.3太赫兹，对应的相干辐射通过介质光栅20与介质平板波导之间耦合输出。
图5是采用严格耦合波分析方法获得的0阶反射轮廓的色散关系仿真结果， 0阶的反射系数与介质光栅20的谐振模式强度呈现正相关，黑色星号处正是本发明所述的介质光栅20的谐振模式，直线表示电子能量为100千电子伏的连续电子束，黑色星号处为介质光栅20的谐振模式与电子束线的交点，纵向传播常数k z0表示此时谐振模式沿z方向的周期性满足k z0 L=π，其中光栅周期为L，并且连续电子束速度v与光栅谐振模式的相速度v ph 同步，因此利用谐振模式可有效地将连续电子束群聚为电子团串60，实现更高功率的输出；而横坐标圆频率ω满足ω=2πf，其中f是该谐振模式的频率，该频率由介质光栅20的结构参数决定，与光栅周期有关，由横坐标可得L/λ=0.274。
值得说明的是，图5中黑色星号处的谐振模式是群速度为0的稳定的非传播模式，使得该谐振模式的能量被限制在介质光栅内部及其周围。如图2所示，为仿真得到的相干辐射场分布图；该谐振模式的场分布有效的限制在介质光栅内部及周围，且光栅外的倏逝场的横向范围较小。图3为仿真得到的第二介质平板波导处的输出能量时域图；图4为光栅上表面y向磁场频域图。从图3中可以看到在第二介质平板波导输出的相干辐射的能量为675瓦特，与第一介质平板波导的输出能量相等，总输出能量为1350瓦特。
Claims (4)
1.一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，其特征在于，包括电子枪、介质光栅、介质平板波导和收集极，所述的介质平板波导包括第一介质平板波导和第二介质平板波导；第一介质平板波导和第二介质平板波导结构相同；
所述电子枪与收集极相对设置，位于同一水平面上，第一介质平板波导、介质光栅和第二介质平板波导依次设置在电子枪与收集极之间，第一介质平板波导、介质光栅第二介质平板波导位于同一水平面内，且高度相同，介质光栅表面紧贴电子枪产生的连续电子束；
第一介质平板波导和第二介质平板波导为输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，其特征在于，所述电子枪用于产生横截面为矩形的连续电子束，连续电子束为矩形薄片形状。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，其特征在于，所述介质光栅为高对比度介质光栅。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，其特征在于，第一介质平板波导和第二介质平板波导均为高对比度平板波导，包括上包层、芯层和下包层，上包层和下包层分别对应设置在芯层的上表面和下表面，芯层为矩形结构，采用高折射率介质材料，上包层和下包层为低折射率介质层。
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