CN116345271A - 基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，包括：获取电子发射源发射的自由电子，将自由电子加速至设定速度；加速后的自由电子在外界泵浦源的作用下进行初步群聚，形成初级电子团；将初级电子团与群聚光栅相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚；基于相干电磁辐射在谐振腔结构中与辐射光栅形成受激放大的相干电磁辐射，增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团；周期性群聚电子团与辐射光栅作用产生高阶倍频的相干电磁辐射信号，高阶倍频相干辐射从端口输出，末端窗口含金刚石窗片，输出波导与谐振腔连接。本发明解决现有室温工作的小型太赫兹电子器件频率难以提升、辐射线宽无法有效压缩的问题。

Description

基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法。

背景技术

太赫兹(1THz＝10¹²Hz)波，是指频率在0.1THz-10 THz频段的电磁波。太赫兹波具有强穿透性，可用于安全检测领域。除此之外太赫兹波光子能量低，相干性好，在通信、医疗、探测等领域具有重要的应用价值。太赫兹技术被认为是未来最重要的技术之一。Smith-Purcell辐射(SPR)是指直流电子束飞过周期光栅表面时所产生的电磁辐射。通过对电子束和光栅周期的参数设计，实现特定波长和特定角度的电磁波输出。受激SPR指自由电子在外界泵浦的作用下产生SPR，实现电磁波和电子束之间相互作用，并实现能量交互的正反馈过程。在此过程中，直流电子束会形成周期性的群聚电子团，携带丰富的高次谐波倍频分量，通过小周期光栅可以进一步提取高阶倍频的THz辐射。当电子被群聚为空间长度小于辐射波长的单个电子团时，电子团与光栅结构相互作用将会产生强度增强的电磁辐射，该辐射被称之为相干SPR，具有增强的辐射效应，被视为实现辐射光源的最有效方式，同时具有压窄的频谱线宽特征，实现高强度THz辐射源。

当前小型化自由电子THz辐射器件面临着频率难以提升的难题。相干SPR是周期群聚电子团飞过光栅表面产生的相干电磁辐射，基于相干SPR的高阶倍频辐射有望提升辐射频率。虽然在电子加速器中已经实现了高频THz相干SPR，但在小型化器件中实现高倍频的相干SPR仍面临很大挑战。此外，产生THz波易受到精密加工和装配、微型电子束成形和聚焦、太赫兹信号高效率提取和输出等因素影响，辐射线宽难以有效压缩，线宽普遍超过MHz量级的限制。

发明内容

本发明提供一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，用以解决现有室温工作的小型化太赫兹电子器件频率难以提升、辐射线宽无法有效压缩的问题。

本发明提供一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，包括：

获取预设的电子发射源发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度；

将加速后的自由电子在外界泵浦源的作用下进行初步群聚，形成初级电子团；

将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚；

基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔结构中与辐射光栅形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团；

所述周期性群聚电子团与辐射光栅相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，高阶倍频相干辐射从端口输出，末端窗口含金刚石窗片，通过输出波导与谐振腔连接。

根据本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，所述获取预设的电子发射源发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度，具体包括：

所述电子发射源根据设定的工作频率，产生具有设定束斑尺寸和电流的电子束；

将电子束中的电子加速至器件工作所需的设定速度。

根据本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，所述将加速后的自由电子在外界泵浦源的作用下进行初步群聚，形成初级电子团，具体包括：

通过所述泵浦源产生泵浦信号输入至谐振腔内，在预设的群聚光栅结构表面激励起周期性的电磁场；

所述泵浦信号的频率范围覆盖微波和太赫兹波段，对直流电子进行初步群聚，形成初级电子团。

根据本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，所述将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚，具体包括：

通过设计优化所述群聚光栅的周期、高度、宽度参数调整谐振模式；

初步群聚后的初级电子团电子与群聚光栅结构相互作用产生相干电磁辐射；

泵浦源和相干电磁辐射信号在群聚光栅表面形成周期性电磁场调制电子能量实现电子群聚。

根据本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔结构中与辐射光栅形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团，具体包括：

设置辐射光栅的周期、高度、宽度参数确定相应的谐振模式；

基于谐振模型周期性群聚电子和辐射光栅结构相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，输出高阶倍频相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，群聚增强的电子团产生更强的相干电磁辐射，形成电子群聚和相干电磁辐射之间能量交互的正反馈过程，即受激相干电磁辐射过程，获得高密度的周期性群聚电子团。

本发明还提供一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生系统，所述系统包括：

电子获取模块，用于获取预设的电子发射源发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度；

初步群聚模块，用于将加速后的自由电子在外界泵浦源的作用下进行初步群聚，形成初级电子团；

深度群聚模块，用于将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚；

高阶倍频模块，用于基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔结构中与辐射光栅形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团；

输出模块，用于所述周期性群聚电子团与辐射光栅相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，高阶倍频相干辐射从端口输出，末端窗口含金刚石窗片，通过输出波导与谐振腔连接。

本发明还提供一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生装置，包括：

电子发射源、谐振腔、泵浦源、群聚光栅和辐射光栅；

所述谐振腔为无氧铜管，所述电子发射源安装在谐振腔的端部，向谐振腔内发射自由电子；

所述泵浦源设置在谐振腔的外侧面，通过泵浦源向谐振腔内发射泵浦信号；

所述群聚光栅设置在谐振腔靠近电子发射源的内部边缘，所述辐射光栅设置在谐振腔内远离电子发射源一端的内部边缘。

根据本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生装置，还包括：在所述谐振腔的一圈均设置有磁环，所述磁环环绕在谐振腔无氧铜管的周围，通过所述磁环产生的磁场对电子束进行聚焦；

在无氧铜管的圆柱体外包裹周期性的极靴结构，通过极靴结构组装电子束聚焦的周期性磁环，通过多个周期性磁环组成周期性永磁聚焦系统，磁环沿着轴向磁化相斥的方式排列，磁环中心的磁感应强度沿电子飞行方向呈现正弦分布曲线。

根据本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生装置，还包括：

电子收集器，所述电子收集器与磁环相邻，设置在谐振腔的端部，通过所述电子收集器收集已经与群聚光栅和辐射光栅相互作用后的电子。

本发明提供的基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，通过受激相干电磁辐射机制实现高阶倍频的太赫兹辐射，自由电子在外界泵浦源的作用下初步群聚，之后与相应的群聚光栅相互作用产生相干电磁辐射，在谐振腔结构中形成受激放大的相干电磁辐射，获得高密度的周期性群聚电子团，有效减弱了对电子源的要求，尤其降低了对电流和束斑聚焦的要求，并且所获得周期电子团的群聚频率及其高阶倍频分量均只由泵浦波的频率决定，有效避免了工作电压抖动带来的工作频点漂移和频谱展宽，实现高阶倍频辐射，多倍频的辐射光栅设计，可以将丰富的高阶倍频信息提取，且辐射功率可根据结构设计及电子源参数调节。一方面，解决了不同高阶倍频辐射角度各异的提取问题；另一方面，将辐射能量充分提取，提高了器件整体的能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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以简单地介绍，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是本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法的流程示意图之一；

图2是本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法的流程示意图之二；

图3是本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法的流程示意图之三；

图4是本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法的流程示意图之四；

图5是本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法的流程示意图之五；

图6是本发明提供的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生系统的模块连接示意图；

图7是本发明提供的太赫兹源产生器件结构示意图；

图8是本发明提供的谐振腔和群聚光栅结构形成的色散曲线示意图；

图9是本发明提供的直流电子束与群聚光栅结构作用的能量变化示意图；

图10是本发明提供的能量调制后的电子密度空间分布示意图；

图11是本发明提供的多倍频示例器件整体结构示意图。

附图标记：

1：电子发射源；2：谐振腔；3：泵浦源；4：群聚光栅；5：辐射光栅；6：高阶倍频相干电磁辐射信号；7：磁环；8：电子收集器；

110：电子获取模块；120：初步群聚模块；130：深度群聚模块；140：高阶倍频模块；150：输出模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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做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。

下面结合图1-图5描述本发明的一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，包括：

S100、获取预设的电子发射源1发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度；

S200、将加速后的自由电子在外界泵浦源3的作用下进行初步群聚，形成初级电子团；

S300、将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅4相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚；

S400、基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔2结构中与辐射光栅5形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团；

S500、所述周期性群聚电子团与辐射光栅相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，高阶倍频相干辐射从端口输出，末端窗口含金刚石窗片，通过输出波导与谐振腔连接。

多频多端口的设计可以将丰富的高阶倍频信息逐一提取，且辐射功率可根据结构设计及电子源参数调节。一方面，解决了不同高阶倍频辐射角度各异的提取问题；另一方面，将辐射能量充分提取，提高了器件整体的能量利用率，并且可根据器件的不同应用场景改变光栅结构，从而提取不同高阶倍频的辐射。

本发明中，通过受激相干SPR机制实现高阶倍频的太赫兹THz辐射。自由电子在外界泵浦源3的作用下初步群聚，之后与相应的群聚光栅4相互作用产生相干SPR，在谐振腔2结构中形成受激放大的相干SPR，获得高密度的周期性群聚电子团。光栅结构传输的信号中具有丰富的高阶倍频信息，可以通过辐射光栅5提取高阶倍频信号可以获得高强度、高相干性、高倍频的THz辐射。

Smith-Purcell辐射(SPR)是指直流电子束飞过周期光栅表面时所产生的电磁辐射，辐射的波长为：

其中λ为辐射波长，L为光栅周期，v为电子速度，c为光速，θ为电磁辐射角度，m为SPR的阶次，通过对电子束和光栅周期的参数设计，实现特定波长和特定角度的电磁波输出。

针对同一结构尺寸的辐射光栅5，不同高阶倍频辐射的辐射角度、辐射强度和辐射线宽均不同，为不同高阶倍频辐射的提取和利用带来了一定的困难。本发明中，通过对多段辐射光栅5的级联设计，可以将丰富的高阶倍频信息逐一提取，且辐射功率可根据结构设计及电子源参数调节。一方面，解决了不同高阶倍频辐射角度各异的提取问题；另一方面，将辐射能量充分提取，提高了器件整体的能量利用率。可根据器件的不同应用场景改变光栅结构，从而提取不同高阶倍频的辐射。

获取预设的电子发射源1发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度，具体包括：

S101、所述电子发射源1根据设定的工作频率，产生具有设定束斑尺寸和电流的电子束；

S102、将电子束中的电子加速至器件工作所需的设定速度。

参考图7，本发明中还设置有谐振腔2结构，材料为无氧铜，具有高导热性、导电性和防磁干扰特性，在无氧铜管内部加工电子群聚和倍频辐射所用的光栅结构和谐振结构。

通过电子发射源1能够根据实际工作频率需求调整频率，满足实际应用需求。

将加速后的自由电子在外界泵浦源3的作用下进行初步群聚，形成初级电子团，具体包括：

S201、通过所述泵浦源3产生泵浦信号输入至谐振腔2内，在预设的群聚光栅4结构表面激励起周期性的电磁场；

S202、所述泵浦信号的频率范围覆盖微波和太赫兹波段，对直流电子进行初步群聚，形成初级电子团。

本发明中，泵浦源3为0.1THz，谐振腔2和群聚光栅4结构形成的色散曲线如图8所示，其中电子束能量22keV，电流50mA。外界泵浦信号激励起结构内垂直谐振的模式，对应的群速度为零，相速度趋于无穷大，标注点表示群聚电子激励起的波导内0.1THz垂直谐振模式。

当THz波入射金属光栅表面时，可以激励起光栅表面电磁模式，在光栅狭缝之间产生局域场。这种表面电磁模式色散关系和可见光波段金属表面等离激元(Surface PlasmonPolariton，SPP)色散关系相似，因此该表面模式也被称之为“人工SPP(Spoof SPP)”。首先，光栅狭缝之间形成的局域场对飞行的直流电子束进行空间密度调制，产生THz群聚频率的周期电子团。频率为fp、偏振沿z方向的THz波垂直泵浦金属铜光栅结构，在光栅狭缝之间产生同相的局域电场，电场Ez以fp为振荡频率跟随着泵浦波发生周期的变化。当直流电子束沿着+z方向飞过金属光栅结构表面，并且电子的飞行速度与THz泵浦波的相位变化速度匹配时，同相局域电场将会对直流电子进行群聚。群聚过程中，电子每经过一个光栅周期L1，泵浦信号正好振荡一个频率，即满足关系式fp＝v/L1。外界泵浦信号的功率在1mW～1W量级均可适用，电子束的能量为10～30keV，束斑直径为100～120μm，电子束电流可以在10～50mA。

降低辐射频率提高对电子源条件更加苛刻的要求：电子束的直径要足够小，从而保证电子束与互作用结构的距离足够近以产生辐射场；电子束的电流强度要足够大，从而达到受激辐射的增益条件。当辐射频率不断提高，电子束直径需要缩小到几十μm量级，往往需要强磁场的聚焦。而且随着电子束直径尺寸缩小，库伦排斥效应增强，此时电流强度难以保证大于受激辐射的电流阈值。

本发明利用外界泵浦源3使自由电子发生初步群聚，在此过程中，库伦排斥效应的作用被削弱，且对电子束束斑聚焦的要求降低。电子束初步群聚后与群聚光栅4互作用产生相干SPR，在谐振腔2结构中实现受激放大的相干SPR信号，获得高密度的周期性群聚电子团。这种方法有效减弱了对电子源的要求，尤其降低了对电流和束斑聚焦的要求。

将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅4相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚，具体包括：

S301、通过设计优化所述群聚光栅4的周期、高度、宽度参数调整谐振模式；

S302、初步群聚后的初级电子团电子与群聚光栅4结构相互作用产生相干电磁辐射；

S303、泵浦源3和相干电磁辐射信号在群聚光栅4表面形成周期性电磁场调制电子能量实现电子群聚。

初步群聚电子飞过群聚光栅4表面，可以激励起频率fp在y向垂直谐振的相干SPR，进一步增强预群聚电子的密度调制；而密度调制增强后的群聚电子又会进一步激励产生增强的相干SPR；如此循环，增强的群聚电子密度调制和增强的相干SPR两者形成正反馈，直到电子群聚达到最佳稳定状态，类似于激光中的“受激放大”现象。在这一正反馈过程中，相干SPR不断地对电子进行群聚，而相干SPR的产生是由于预群聚电子的激励，因此这一电子群聚过程被称之为预群聚电子诱导的受激相干SPR群聚。本例中相应L1为0.836mm，群聚光栅4的光栅周期数N1为64。图9为直流电子束与群聚光栅4作用过程中能量变化，可以观察到随着二者相互作用，电子束的群聚逐渐趋于“最佳群聚”(能量与空间位置的斜率逐渐呈现“直立”状态)。图10为沿电子束飞行方向的电子密度空间分布，直流电子在空间中形成周期电子团，并且单个电子团内的密度峰值较初始值明显增加。图7中，输出高阶倍频相干电磁辐射信号6，末端窗口含金刚石窗片，通过输出波导与无氧铜材料连接。

本发明有效避免了工作电压抖动带来的工作频点漂移和频谱展宽，电子枪工作电压通常会存在上百伏特的抖动，进而引起工作频点的漂移，还会带来相干辐射频谱线宽的展宽。本发明中所获得周期电子团的群聚频率及其高阶倍频分量均只由泵浦波的频率决定，该特性可以避免由于电压抖动带来的辐射频点漂移，只使得辐射角在小范围内存在一定的偏移，并不会引起相干辐射频谱线宽的展宽，因而具有输出信号稳定的特点，不受电子束电压波动的影响。

基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔2结构中与辐射光栅5形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团，具体包括：

S401、设置辐射光栅5的周期、高度、宽度参数确定相应的谐振模式；

S402、基于谐振模型周期性群聚电子和辐射光栅5结构相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，输出高阶倍频相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，群聚增强的电子团产生更强的相干电磁辐射，形成电子群聚和相干电磁辐射之间能量交互的正反馈过程，即受激相干电磁辐射过程，获得高密度的周期性群聚电子团。

在获得0.1THz群聚频率的周期电子团基础上，利用周期p1＝L1/3＝278μm的第一段辐射光栅5与电子团相互作用，产生0.3THz的三倍频相干SPR辐射。第二段辐射光栅5周期长度p2＝L1/4＝210μm(提取四倍频相干SPR辐射)，第三段辐射光栅5的周期长度p3＝L1/5＝168μm(提取五倍频相干SPR辐射)。器件整体结构如图11所示。

在本发明中以上工作过程是以0.1THz的泵浦源3、22keV的电子发射源1以及三、四、五倍频辐射提取为例。如果更改泵浦源3的入射频率为微波信号或其它THz频段信号，通过调整群聚光栅4结构和谐振腔2结构，同样可以实现微波或是其它THz频率的受激放大的相干SPR信号。同时借助辐射光栅5的优化设计，可以实现其它高阶倍频信号的产生。

本发明解决了不同高阶倍频辐射角度各异的提取问题，实现多个频率的输出；以泵浦源3为0.1THz为例，对三阶倍频的辐射光栅5而言，由公式(1-1)可得，辐射角度θ＝90°和θ＝28°满足消逝场中倍频分量的阶次n＝3和n＝4时，而结合谐振腔2的结构，只有垂直端口便于提取相应阶次的辐射。本专利中，多阶倍频的辐射光栅5设计，可以将丰富的高阶倍频信息提取，且辐射功率可根据结构设计及电子源参数调节。一方面，解决了不同高阶倍频辐射角度各异的提取问题；另一方面，将辐射能量充分提取，提高了器件整体的能量利用率。

参考图6，本发明还公开了一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生系统，所述系统包括：

电子获取模块110，用于获取预设的电子发射源1发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度；

初步群聚模块120，用于将加速后的自由电子在外界泵浦源3的作用下进行初步群聚，形成初级电子团；

深度群聚模块130，用于将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅4相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚；

高阶倍频模块140，用于基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔2结构中与辐射光栅5形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团；

输出模块150，所述周期性群聚电子团与辐射光栅相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，高阶倍频相干辐射从端口输出，末端窗口含金刚石窗片，通过输出波导与谐振腔连接。

其中，电子获取模块110中电子发射源1根据器件的工作频率，产生具有设定束斑尺寸和电流的电子束；

将电子束中的电子加速至器件工作所需的设定速度。

初步群聚模块120，通过所述泵浦源3产生泵浦信号输入至谐振腔2内，在预设的群聚光栅4结构表面激励起周期性的电磁场；

所述泵浦信号的频率范围覆盖微波和太赫兹波段，对直流电子进行初步群聚，形成初级电子团。

深度群聚模块130，通过设计优化所述群聚光栅4的周期、高度、宽度参数调整谐振模式；

初步群聚后的初级电子团电子与群聚光栅4结构相互作用产生相干电磁辐射；

泵浦源3和相干电磁辐射信号在群聚光栅4表面形成周期性电磁场调制电子能量实现电子群聚。

高阶倍频模块140，设置辐射光栅5的周期、高度、宽度参数确定相应的谐振模式；

基于谐振模型周期性群聚电子和辐射光栅5结构相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，输出高阶倍频相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，群聚增强的电子团产生更强的相干电磁辐射，形成电子群聚和相干电磁辐射之间能量交互的正反馈过程，即受激相干电磁辐射过程，获得高密度的周期性群聚电子团。

通过本发明提供的基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生系统，通过受激相干电磁辐射机制实现高阶倍频的太赫兹辐射，自由电子在外界泵浦源3的作用下初步群聚，之后与相应的群聚光栅4相互作用产生相干电磁辐射，在谐振腔2结构中形成受激放大的相干电磁辐射，获得高密度的周期性群聚电子团，有效减弱了对电子源的要求，尤其降低了对电流和束斑聚焦的要求，并且所获得周期电子团的群聚频率及其高阶倍频分量均只由泵浦波的频率决定，有效避免了工作电压抖动带来的工作频点漂移和频谱展宽，实现高阶倍频辐射。

参考图8，本发明还公开了一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生装置，包括：

电子发射源1、谐振腔2、泵浦源3、群聚光栅4和辐射光栅5；

所述谐振腔2为无氧铜管，所述电子发射源1安装在谐振腔2的端部，向谐振腔2内发射自由电子；

所述泵浦源3设置在谐振腔2的外侧面，通过泵浦源3向谐振腔2内发射泵浦信号；

所述群聚光栅4设置在谐振腔2靠近电子发射源1的内部边缘，所述辐射光栅5设置在谐振腔2内远离电子发射源1一端的内部边缘。

在所述谐振腔2的一圈均设置有磁环7，所述磁环7环绕在谐振腔2无氧铜管的周围，通过所述磁环7产生的磁场对电子束进行聚焦；

在无氧铜管的圆柱体外包裹周期性的极靴结构，通过极靴结构组装电子束聚焦的周期性磁环，通过多个周期性磁环组成周期性永磁聚焦系统，磁环沿着轴向磁化相斥的方式排列，磁环中心的磁感应强度沿电子飞行方向呈现正弦分布曲线；周期永磁聚焦系统提供飞行方向的磁感应强度，适当强度的磁感应强度可以抵消空间电荷的发散力，避免电子束在飞行过程中发生扩散，达到对电子束的会聚效果。电子束在该磁感应强度下沿轴向运动，很大程度上减少了电子扩散导致的与光栅结构碰撞，从而提高电子的利用效率。

还设置有电子收集器8，所述电子收集器8与磁环7相邻，设置在谐振腔2的端部，通过所述电子收集器8收集已经与群聚光栅4和辐射光栅5相互作用后的电子，通过电子收集器8收集已经与光栅相互作用后的电子，采用降压收集的方式回收电子能量，通过倍频输出窗口输出高阶倍频相干电磁辐射，窗口含金刚石窗片，通过输出波导与无氧铜材料连接。

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)

1.一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，其特征在于，包括：

获取预设的电子发射源发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度；

将加速后的自由电子在外界泵浦源的作用下进行初步群聚，形成初级电子团；

将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚；

基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔结构中与辐射光栅形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团；

所述周期性群聚电子团与辐射光栅相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，高阶倍频相干辐射从端口输出，末端窗口含金刚石窗片，通过输出波导与谐振腔连接。

2.根据权利要求1所述的基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，其特征在于，所述获取预设的电子发射源发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度，具体包括：

所述电子发射源根据设定的工作频率，产生具有设定束斑尺寸和电流的电子束；

将电子束中的电子加速至器件工作所需的设定速度。

3.根据权利要求1所述的基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，其特征在于，所述将加速后的自由电子在外界泵浦源的作用下进行初步群聚，形成初级电子团，具体包括：

通过所述泵浦源产生泵浦信号输入至谐振腔内，在预设的群聚光栅结构表面激励起周期性的电磁场；

所述泵浦信号的频率范围覆盖微波和太赫兹波段，对直流电子进行初步群聚，形成初级电子团。

4.根据权利要求1所述的基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，其特征在于，所述将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚，具体包括：

通过设计优化所述群聚光栅的周期、高度、宽度参数调整谐振模式；

初步群聚后的初级电子团电子与群聚光栅结构相互作用产生相干电磁辐射；

泵浦源和相干电磁辐射信号在群聚光栅表面形成周期性电磁场调制电子能量实现电子群聚。

5.根据权利要求1所述的基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法，其特征在于，基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔结构中与辐射光栅形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团，具体包括：

设置辐射光栅的周期、高度、宽度参数确定相应的谐振模式；

基于谐振模型周期性群聚电子和辐射光栅结构相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，输出高阶倍频相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，群聚增强的电子团产生更强的相干电磁辐射，形成电子群聚和相干电磁辐射之间能量交互的正反馈过程，即受激相干电磁辐射过程，获得高密度的周期性群聚电子团。

6.一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生系统，其特征在于，所述系统包括：

电子获取模块，用于获取预设的电子发射源发射的自由电子，将所述自由电子加速至设定速度；

初步群聚模块，用于将加速后的自由电子在外界泵浦源的作用下进行初步群聚，形成初级电子团；

深度群聚模块，用于将初步群聚后的初级电子团与群聚光栅相互作用产生相干电磁辐射实现电子群聚；

高阶倍频模块，用于基于所述相干电磁辐射在预设的谐振腔结构中与辐射光栅形成受激放大的相干电磁辐射，同时增强电子群聚，缩小电子团尺寸，获得高密度的周期性群聚电子团；

输出模块，用于所述周期性群聚电子团与辐射光栅相互作用产生相应高阶倍频的相干电磁辐射信号，高阶倍频相干辐射从端口输出，末端窗口含金刚石窗片，通过输出波导与谐振腔连接。

7.一种基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生装置，其特征在于，包括：

电子发射源、谐振腔、泵浦源、群聚光栅和辐射光栅；

所述谐振腔为无氧铜管，所述电子发射源安装在谐振腔的端部，向谐振腔内发射自由电子；

所述泵浦源设置在谐振腔的外侧面，通过泵浦源向谐振腔内发射泵浦信号；

所述群聚光栅设置在谐振腔靠近电子发射源的内部边缘，所述辐射光栅设置在谐振腔内远离电子发射源一端的内部边缘。

8.根据权利要求7所述的基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生装置，其特征在于，还包括：

在所述谐振腔的一圈均设置有磁环，所述磁环环绕在谐振腔无氧铜管的周围，通过所述磁环产生的磁场对电子束进行聚焦；

在无氧铜管的圆柱体外包裹周期性的极靴结构，通过极靴结构组装电子束聚焦的周期性磁环，通过多个周期性磁环组成周期性永磁聚焦系统，磁环沿着轴向磁化相斥的方式排列，磁环中心的磁感应强度沿电子飞行方向呈现正弦分布曲线。

9.根据权利要求7所述的基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生装置，其特征在于，还包括：

电子收集器，所述电子收集器与磁环相邻，设置在谐振腔的端部，通过所述电子收集器收集已经与群聚光栅和辐射光栅相互作用后的电子。

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