CN114666966B - 一种基于布洛赫表面波的电子加速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于布洛赫表面波的电子加速系统及方法，其中系统包括：玻璃衬底；光子晶体，淀积于玻璃衬底上，为由两种介电常数不同的的介质材料周期交替构成的多层膜结构；飞秒激光脉冲模块，用于产生飞秒激光脉冲，所述飞秒激光脉冲经过所述玻璃衬底，以预设的入射角射入所述光子晶体的第一表面，并从所述光子晶体的第二表面射出，以在所述第二表面处形成布洛赫表面波作用区域；电子注入装置，用于将电子注入所述布洛赫表面波作用区域，实现对电子进行加速。本发明采用布洛赫表面波对电子进行加速，由于飞秒激光激发的布洛赫表面波具有强的局域增强效应，加速电子可以在该强局域场中获得较高的能量。本发明可广泛应用于电子器件领域。

Description

一种基于布洛赫表面波的电子加速系统及方法

技术领域

本发明涉及电子器件领域，尤其涉及一种基于布洛赫表面波的电子加速系统及方法。

背景技术

由于在广泛的应用中需要相对高能量的电子，高能电子脉冲的加速装置一直是研究的热点。在化学和原子物理学中，高能电子脉冲可以用于研究发生在飞秒尺度上的复杂的分子和原子动力学过程。大量的研究已经提出多种电子加速装置，如直流高压加速装置、激光脉冲定向辅助发射装置和基于表面等离激元的电子加速装置等。但是，传统的直流高压加速装置存在成本高、安全性低等缺点；激光脉冲定向辅助发射装置依赖激光啁啾或者复杂的加速装置且加速后电子能量相对不高；基于表面等离激元的电子加速方式存在激光辐照金属使电子发射的方式复杂不便于统计分析和经加速后的电子的动能较低的缺点。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于布洛赫表面波的电子加速系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，包括：

玻璃衬底；

光子晶体，淀积于玻璃衬底上，为由两种介电常数不同的介质材料周期交替构成的多层膜结构；

飞秒激光脉冲模块，用于产生飞秒激光脉冲，所述飞秒激光脉冲经过所述玻璃衬底，以预设的入射角射入所述光子晶体的第一表面，并从所述光子晶体的第二表面射出，以在所述第二表面处形成布洛赫表面波作用区域；

电子注入装置，用于将电子注入所述布洛赫表面波作用区域，实现对电子进行加速。

进一步地，所述光子晶体上的顶层膜的厚度大于其他膜层的厚度，所述第二表面设置在所述顶层膜上。

进一步地，所述其他膜层包括周期交替第一材料膜层和第二材料膜层，所述第一材料膜层的厚度和所述第二材料膜层的厚度不同；

所述第一材料膜层和所述第二材料膜层的宽度设置为4λ，其中λ为布洛赫表面波的波长。

进一步地，所述第一材料膜层的厚度d_A和所述第二材料膜层的厚度d_B通过以下方式确定：

设第一材料膜层的介电常数为ε_A，第二材料膜层的介电常数为ε_B，则光子晶体的TM模式下的色散关系为：

式式中，A＝d_A+d_B K为布洛赫表面波波数；k₀为真空中的光波数，β_||为波矢在多层介质表面水平方向的投影。

进一步地，所述飞秒激光脉冲以预设的入射角辐照光子晶体和玻璃衬底界面，激发的布洛赫表面波满足如下关系式：

式中，K为布洛赫表面波的波数，ω和c分别为真空中光的角频率和速度，ε_p是玻璃衬底的介电常数，β为飞秒激光脉冲的入射角。

进一步地，所述电子注入装置安装在所述布洛赫表面波作用区域的外部，且距离所述光子晶体和所述玻璃衬底足够远，以避免电子注入装置对布洛赫表面波的激发产生影响。

进一步地，所述电子注入装置需满足电子空间电荷密度(小于10⁴A/cm²)，以避免空间电荷效应的引入。

进一步地，所述飞秒激光脉冲与所述光子晶体的第一表面之间的入射角为45°。

进一步地，两种介电常数不同的介质材料分别为折射率为n＝1.48+i10^(-3)的二氧化硅材料和折射率为n＝2.65+i10^(-3)的四氮化三硅材料。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种基于布洛赫表面波的电子加速方法，包括以下步骤：

确定飞秒激光脉冲的参数，所述参数包括激光波长、脉冲持续时间以及激光强度；

控制所述飞秒激光脉冲以预设的入射角射入光子晶体，以在所述飞秒激光脉冲射出处激发布洛赫表面波，形成布洛赫表面波作用区域；

控制电子以预设的注入角注入所述布洛赫表面波作用区域，实现对电子的加速。

本发明的有益效果是：本发明采用布洛赫表面波对电子进行加速，由于飞秒激光激发的布洛赫表面波具有强的局域增强效应，加速电子可以在该强局域场中获得较高的能量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中光子晶体的示意图；

图2是本发明实施例中基于布洛赫表面波的电子加速系统的示意图；

图3是本发明实施例中光子晶体的反射率与飞秒激光入射角的关系图；

图4是本发明实施例中电场强度和磁场强度在系统中的变化示意图；其中，图4(a)为归一化的电场分布，图4(b)为归一化的磁场分布；

图5是本发明实施例中电场强度在真空侧距结构表面的衰减情况示意图；

图6是本发明实施例中五个在不同时刻注入电子的运动轨迹示意图；

图7是本发明实施例中出射电子的动能和出射角度与注入时间和注入角度的关系示意图；其中，图7(a)是出射电子的动能和出射角度与电子注入时间的关系示意图，图7(b)出射电子的动能和出射角度与电子注入角度的关系示意图；

图8是本发明实施例中出射电子的能量和出射角度统计分析示意图；其中，图8(a)是出射电子的能谱示意图，其插图为出射电子的角分布示意图；图8(b)是出射电子的角分辨能谱示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，包括：光子晶体，玻璃衬底，外部电子注入装置(也即电子注入装置)，飞秒激光脉冲模块。

光子晶体淀积于玻璃衬底上，玻璃衬底设置于光子晶体的下表面。光子晶体是由两种介质材料周期交替构成的多层介质膜，顶层膜的厚度大于其他膜层的厚度，其它膜层中相同介质材料的膜层的厚度一致，不同材料的膜层的厚度不一样。飞秒激光脉冲以入射角θ(激光方向与光子晶体表面法向的夹角)经玻璃衬底辐照玻璃衬底与光子晶体界面；电子注入装置距离玻璃衬底和光子晶体组成的结构相当远，以避免对布洛赫表面波的激发产生影响。

在一些可选的实施例中，整个电子加速系统的结构处于真空状态中。这里需要注意的是，在非真空状态下，依然可以实现对电子的加速。

在一些可选的实施例中，光子晶体是由两种介电常数不同的介质材料周期交替构成的多层膜结构。除顶层材料厚度高于其它层材料厚度之外，两种介质材料的厚度不一但相同介质材料的每层厚度保持一致。两种材料的宽度一般设置为4λ，长度依情况可以自行设定。其中λ为布洛赫表面波的波长。两种材料的介电常数、厚度可以由光子晶体的色散关系式选择确定。设两种材料的介电常数分别为ε_A和ε_B，厚度分别为d_A和d_B，则可以用下式表示光子晶体的TM模式下的色散关系：

式中，Λ＝d_A+d_B K为布洛赫表面波波数；k₀为真空中的光波数，β_||为波矢在多层介质表面水平方向的投影。

在一些可选的实施例中，光子晶体、玻璃衬底和飞秒激光脉冲，在于满足克莱舒曼结构下，以一定波长和飞秒激光以一定入射角辐照光子晶体和玻璃衬底界面可以激发布洛赫表面波，即应满足如下关系式：

式中，K为布洛赫表面波的波数，ω和c分别为真空中光的角频率和速度，ε_p是玻璃衬底的介电常数，β为飞秒激光脉冲的入射角。

在一些可选的实施例中，外部电子注入装置距离光子晶体和玻璃衬底构成用于激发布洛赫表面波的结构相当远以避免其对布洛赫表面波的激发产生影响。且要求外部电子注入装置的注入角度、注入空间范围、注入时间范围、注入电子的初始动能可配置。此外，外部注入电子装置需满足电子空间电荷密度(＜10⁴A/cm²)，以避免空间电荷效应的引入使计算变得复杂。

本实施例的电子加速系统可以通过改变光子晶体的材料、厚度、层数以适应不同波长的飞秒激光脉冲在相应结构下激发布洛赫表面波。该电子加速系统可以通过调节注入电子的注入空间范围、注入时间范围、注入电子的初始动能和注入角度改变电子的加速结果。该电子加速系统可以通过调节飞秒激光脉冲的强度改变布洛赫表面波的电磁场强度进而改变电子的加速结果。

以下结合具体实施例和附图对上述系统进行详细解释说明。

具体实施例1

如图1所示，图1是光子晶体示意图，该光子晶体的材料一选择折射率为n＝1.48+i10^(-3)的二氧化硅材料(SiO₂)，材料二选择折射率为n₂＝2.65+i10^(-3)的四氮化三硅材料(Si₃N₄)。材料一的顶层厚度设置为510nm，材料一的其它层厚度为150nm，材料二的各层厚度统一设置为90nm。材料一和材料二为周期交替排列的18层介质。此外，材料一和材料二的宽度依需要统一设置为2um；材料一和材料二的长度根据需要可自行设置，这里统一设置为1um。如图2所示，是一种基于飞秒激光激发的布洛赫表面波的电子加速方法的示意图，图中由材料一和材料二周期交替排列构成的多层介质淀积在折射率为1.515的玻璃衬底材料上面。飞秒激光以入射角β经玻璃衬底材料辐照在玻璃衬底材料和多层介质材料的界面中心。依据图3所示的一种基于飞秒激光激发的布洛赫表面波的电子加速方法的光子晶体的反射率与飞秒激光的入射角之间的关系，选定飞秒激光的入射角为45度。此外，飞秒激光的相关参数设置为：波长800nm，脉冲持续时间20fs，激光强度E_l＝2×10¹¹V/m。注入电子在有限的空间范围和有限的时间范围以给定的初始动能以注入角θ注入布洛赫表面波作用区域。当电子进入布洛赫表面波作用区域后，在其中受到洛伦兹力的作用进行运动。其中，一小部分电子会撞击到多层介质表面，但是这部分电子，可以认为被多层介质吸收，不予以考虑；大部分电子会以不同的出射角α从布洛赫表面波作用区域中出射。对出射电子进行收集并做统计分析，其统计分析结果见图6、图7和图8。

如图4所示，是一种基于飞秒激光激发的布洛赫表面波的电子加速系统的归一化的电场强度和磁场强度在方法中的分布示意图。其中，图4(a)为归一化的电场分布，图4(b)为归一化的磁场分布，显然电场和磁场都是在多层介质表面附近具有最大的强度，且在真空侧表现出指数衰减特征。但是考虑到电场强度远远大于磁场强度，磁场对电子运动的影响甚小，在接下来的分析中，可以忽略磁场对电子加速的影响。此外，如图5所示，是一种基于飞秒激光激发的布洛赫表面波的电子加速系统的电场强度在真空侧距结构表面的衰减情况示意图。其数据拟合分析表明：电场在真空侧呈现指数衰减形式且衰减因子为3um^-1，这表明其衰减长度约为333nm，这显然要高于现有技术中相同情况下表面等离激元的衰减长度250nm；纵向电场(多层介质表面法线方向)和横向电场(多层介质表面水平方向)的增强因子分别为8.3574和2.8243；计算的电场增强因子约为8.8542，这显然要高于现有技术中相同情况下表面等离激元的增强因子3.7。综上可知，表面布洛赫波相比表面等离激元具有更高的增强因子和更低的损耗，故布洛赫表面波更适合用于电子加速。此外，图5显示横向电场强度与纵向电场强度的比值为0.3499，这表明电子在布洛赫表面波中的运动主要受纵向电场的影响。

如图6所示，是一种基于飞秒激光激发的布洛赫表面波的电子加速系统的五个在不同时刻注入电子的运动轨迹示意图。五个注入电子的初始动能和注入角度分别均为1KeV和45度，五个电子的运动轨迹由下向上分别对应其相对于飞秒激光激发布洛赫表面波的时间(0fs)的延迟时间为-50fs、-45fs、-40fs、-35fs和-30fs。结果表面相对延迟时间越小，则电子越易运动至距多层介质表面更近的位置从而充分受到布洛赫表面波的作用而获得相对较高的能量。分析认为：这是由于相对延迟时间小的电子在布洛赫表面波被激发之前可以运动至距多层介质表面更近的位置，由于图4分析得出的布洛赫表面波真空侧指数衰减特征，故此时的出射电子将充分与布洛赫表面波作用从而获得较高的出射动能。但是，相对延迟时间不宜过小，因为此时的注入电子可能在布洛赫表面波未被激发之前就已经撞击到多层介质表面，从而使加速结果不好。此外，相对延迟时间也不宜过大，因为当布洛赫表面波被激发后，注入电子距离多层介质表面较远，由于布洛赫表面波的指数衰减特征，此时的电子受布洛赫表面波作用较小，可能直接以较大的出射角掠过加速方法。故相对延迟时间不易过大也不易过小，这需要在实际操作中，根据相应情况做出相应调整。

如图7所示，是一种基于飞秒激光激发的布洛赫表面波的电子加速方法的出射电子的动能和出射角度与注入时间和注入角度的关系示意图。其中，图7(a)是出射电子的动能和出射角度与电子注入时间的关系示意图，共统计约10³个注入电子；图7(b)出射电子的动能和出射角度与电子注入角度的关系示意图，图中所有电子具有相同的相对延迟时间-30fs，共统计约10³个注入电子。图7(a)表明：随着相对延迟时间的增大，电子出射动能由最大的18KeV左右下降到1KeV左右；随着相对延迟时间的增大，电子的出射角度也由最小的13度左右逐渐增加到最大的73度左右，这表明相对延迟时间越小，电子以较大的出射角掠过加速方法的概率大大增加。以上分析与对图6的分析相吻合。图7(b)表明：随着注入电子的注入角度的增加，出射电子的动能由最大的19KeV左右逐渐下降至1KeV左右；随着注入电子的注入角度的增加，出射电子的出射角度由最小的3度左右逐渐变化到86度左右。分析认为：当电子以较小的注入角度注入时，其纵向(多层介质表面法向方向)分速度越大，故在其它参数相同时，此时的电子更易运动至距多层介质表面更近的位置，由于布洛赫表面波的指数衰减特征，此时的电子更易于与布洛赫表面波充分作用从而获得更大的出射动能，且其出射角度改变也相应的较小，这是由于电场的纵向(多层介质表面法线方向)强度显著大于电场的横向(多层介质表面水平方向)强度；当电子以较大的注入角度注入时，其情况刚好与上面分析相反。综上，通过适当调节电子的注入角度和注入时间，可以得到较佳的电子加速结果。

如图8所示，是一种基于飞秒激光激发的布洛赫表面波的电子加速系统的出射电子的能量和出射角度统计分析示意图。其中，图8(a)是出射电子的能谱示意图，其插图为出射电子的角分布示意图；图8(b)是出射电子的角分辨能谱示意图。图8的结果是对约10⁵个在相对延迟时间范围-50到-30fs和有限空间范围内以45度注入角和1KeV的初始动能注入的电子统计所得。图8(a)中的能谱具有一个半高宽为117eV和峰值为510eV的峰。此外，数据表明10.41％的出射电子获得了少于1KeV的动能，即小部分电子经布洛赫表面波作用动能减少了；55.52％的出射电子具有超过5KeV的出射动能；32.45％的出射电子具有超过10KeV的出射动能；一小部分的电子甚至可以具有20KeV左右的出射动能。结合对图6和图7的分析，我们可以调节注入电子的相关参数，使大多数电子均获得20KeV的出射动能。图8(a)中的角分布插图表明：出射的电子具有较高的方向性。图8(b)是出射电子的角分辨能谱结果，其表明电子的出射动能和出射方向具有极大的相关性。以较大出射角出射的电子具有接近510eV左右的出射动能，这表明，注入电子在布洛赫表面波中受到的横向电场的作用很小，甚至可以忽略，其主要受到纵向电场的作用。

具体实施例2

在实施例1的基础上，当只增大飞秒激光脉冲的光强为E_l＝2.5×10¹¹V/m时，出射电子的能谱显示一部分电子的最大动能可以达到25KeV。这表明可以通过增强飞秒激光脉冲以实现更高能量的加速电子的产生。

综上所述，本实施例的电子加速系统相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：

(1)该电子加速系统的空间尺度为微米量级，可以实现在微米量级的结构上对电子的加速。

(2)由于飞秒激光激发的布洛赫表面波具有强的局域增强效应，加速电子可以在该强局域场中获得较高的能量。

(3)由于该装置的电子为外部注入，故可以通过调节注入电子的注入区域大小、注入时间范围、初始动能和注入角度控制出射电子的出射情况。

(4)由于该方法采用的全介质结构，可以有效避免在基于表面等离激元的电子加速装置下引入的飞秒激光辐照金属引起的电子发射的复杂性。

(5)通过有效控制注入电子的空间电荷密度(<10⁴A/cm²)，可以有效地避免空间电荷效应的引入使计算的复杂性增加。

基于上述的电子加速系统，本实施例还提供一种基于布洛赫表面波的电子加速方法，包括以下步骤：

S1、确定飞秒激光脉冲的参数，所述参数包括激光波长、脉冲持续时间以及激光强度；

S2、控制所述飞秒激光脉冲以预设的入射角射入光子晶体，以在所述飞秒激光脉冲射出处激发布洛赫表面波，形成布洛赫表面波作用区域；

S3、控制电子以预设的注入角注入所述布洛赫表面波作用区域，实现对电子的加速。

本实施例的一种基于布洛赫表面波的电子加速方法，用于控制或执行上述的一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，具有对应的关系，因此具备该系统相应的功能和有益效果。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，其特征在于，包括：

玻璃衬底；

光子晶体，淀积于玻璃衬底上，为由两种介电常数不同的介质材料周期交替构成的多层膜结构；

飞秒激光脉冲模块，用于产生飞秒激光脉冲，所述飞秒激光脉冲经过所述玻璃衬底，以预设的入射角射入所述光子晶体的第一表面，并从所述光子晶体的第二表面射出，以在所述第二表面处形成布洛赫表面波作用区域；

电子注入装置，用于将电子注入所述布洛赫表面波作用区域，实现对电子进行加速；

所述飞秒激光脉冲以预设的入射角辐照光子晶体和玻璃衬底界面，激发的布洛赫表面波满足如下关系式：

式中，K为布洛赫表面波的波数，ω和c分别为真空中光的角频率和速度，ε_p是玻璃衬底的介电常数，β为飞秒激光脉冲的入射角；

所述光子晶体上的顶层膜的厚度大于其他膜层的厚度，所述第二表面设置在所述顶层膜上；

所述其他膜层包括周期交替第一材料膜层和第二材料膜层，所述第一材料膜层的厚度和所述第二材料膜层的厚度不同；

所述第一材料膜层和所述第二材料膜层的宽度设置为4λ，其中λ为布洛赫表面波的波长。

2.根据权利要求1所述的一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，其特征在于，所述第一材料膜层的厚度d_A和所述第二材料膜层的厚度d_B通过以下方式确定：

设第一材料膜层的介电常数为ε_A，第二材料膜层的介电常数为ε_B，则光子晶体的TM模式下的色散关系为：

式中，Λ＝d_A+d_B，K为布洛赫表面波波数；k₀为真空中的光波数，β_P为波矢在多层介质表面水平方向的投影。

3.根据权利要求1所述的一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，其特征在于，所述电子注入装置安装在所述布洛赫表面波作用区域的外部，且距离所述光子晶体和所述玻璃衬底足够远，以避免电子注入装置对布洛赫表面波的激发产生影响。

4.根据权利要求1所述的一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，其特征在于，所述电子注入装置需满足电子空间电荷密度，以避免空间电荷效应的引入。

5.根据权利要求1所述的一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，其特征在于，所述飞秒激光脉冲与所述光子晶体的第一表面之间的入射角为45°。

6.根据权利要求1所述的一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，其特征在于，两种介电常数不同的介质材料分别为折射率为n＝1.48+i10^(-3)的二氧化硅材料和折射率为n＝2.65+i10^(-3)的四氮化三硅材料。

7.一种基于布洛赫表面波的电子加速方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的一种基于布洛赫表面波的电子加速系统，其特征在于，包括以下步骤：

确定飞秒激光脉冲的参数，所述参数包括激光波长、脉冲持续时间以及激光强度；

控制所述飞秒激光脉冲以预设的入射角射入光子晶体，以在所述飞秒激光脉冲射出处激发布洛赫表面波，形成布洛赫表面波作用区域；

控制电子以预设的注入角注入所述布洛赫表面波作用区域，实现对电子的加速。