一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，屬于太赫茲真空電子器件領(lǐng)域。所述高頻結(jié)構(gòu)由上下反射鏡分別為球面鏡和柱面鏡的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、陣列金屬光柵、柱面鏡內(nèi)的矩形槽和球面鏡上的圓形耦合孔組成，系統(tǒng)所用金屬材料均為無(wú)氧銅。所述陣列金屬光柵光柵兩端嵌于柱面鏡內(nèi)的矩形槽中，沿x方向和z方向均為周期排列，利用圓柱形電子束進(jìn)行注-波能量交換。本發(fā)明是一種實(shí)現(xiàn)太赫茲電磁波信號(hào)產(chǎn)生的方法，可以采用圓柱形電子束進(jìn)行注-波互作用，具有電子效率高、輸出功率大的特點(diǎn)，并能有效降低聚焦磁場(chǎng)強(qiáng)度以及器件的陰極發(fā)射電流密度。
【專利說(shuō)明】一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)
[0001]所屬領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于太赫茲真空電子器件領(lǐng)域，具體為一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0003]由于THz波獨(dú)特的性質(zhì)及在物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、射電天文，尤其是在衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)、國(guó)防安檢等領(lǐng)域具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，而受到越來(lái)越廣泛的重視。然而直到目前為止，太赫茲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用仍很局限，其主要障礙就是其發(fā)射和接收裝置至今仍然十分笨重而且昂貴。
[0004]根據(jù)THz輻射產(chǎn)生的機(jī)理，可以將其輻射源分為兩大類:一類是利用電子學(xué)的方法，另一類是利用光學(xué)的方法。不過(guò)，其中大多數(shù)要么設(shè)備復(fù)雜、龐大、效率較低，要么難以室溫下運(yùn)轉(zhuǎn)。如何有效的產(chǎn)生高功率、高能量、高效率，且能在室溫下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)緊湊的THz輻射源，成為THz技術(shù)的研究熱點(diǎn)。
[0005]真空電子器件在THz輻射源方面取得迅速的發(fā)展，特別是微加工技術(shù)和真空電子學(xué)結(jié)合形成的微型真空電子器件，利用微波管分布作用原理，使工作頻率可以達(dá)到太赫茲領(lǐng)域。奧羅管是由片狀電子束在開(kāi)放式諧振腔內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的繞輻射器件，可用作小型緊湊型太赫茲輻射源，但其效率較低，且較大的起振電流對(duì)陰極提出了很高的要求，同時(shí)由于片狀電子束的電流密度較大，對(duì)聚焦磁場(chǎng)的要求也很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，利用圓柱形電子束與陣列光柵內(nèi)部的高頻場(chǎng)進(jìn)行注-波能量交換，適當(dāng)選取所述陣列金屬光柵和準(zhǔn)光學(xué)諧振腔所組成的結(jié)構(gòu)的尺寸，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高頻信號(hào)的輸出。本發(fā)明提供的高頻系統(tǒng)具有電子效率高、輸出功率大的特點(diǎn)，并能有效降低聚焦磁場(chǎng)強(qiáng)度以及器件的陰極發(fā)射電流密度。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、陣列金屬光柵，其特征在于:所述的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的上下反射鏡分別為方形球面鏡和方形平凹柱面鏡，在z方向上，沿著方形球面鏡軸線，所述的方形球面鏡上開(kāi)設(shè)有圓心耦合孔，所述的方形平凹鏡內(nèi)部開(kāi)設(shè)有一大一小上下銜接的兩矩形凹槽；所述的陣列金屬光柵周期嵌于較小的矩形凹槽內(nèi)部，并沿X和Z方向周期排列；電子槍產(chǎn)生的電子束沿X方向陣列金屬光柵周期排列方向傳輸與該高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行互作用，利用圓柱形電子束與陣列光柵內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行注-波能量交換。
[0009]由電子槍產(chǎn)生的圓柱狀電子束通過(guò)所述陣列金屬光柵間的縫隙時(shí)，金屬光柵表面會(huì)有SP福射產(chǎn)生。根據(jù)SP福射原理,金屬光柵表面激勵(lì)起的THz電磁波在圓形輸出I禹合孔處的波長(zhǎng)均相同。
[0010]根據(jù)電磁模式理論，諧振模式下光柵表面場(chǎng)周期諧波的傳播常數(shù)為2πη/1，n為諧波次數(shù)，I為光柵的周期。選擇適當(dāng)?shù)碾娮幼⑺俣龋怪c光柵表面場(chǎng)的某次空間諧波同步。電子注在場(chǎng)的作用下產(chǎn)生群聚，并將能量交換給諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)，同時(shí)電磁場(chǎng)受到準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的諧振作用，建立起穩(wěn)定的相干振蕩。腔中的電磁場(chǎng)通過(guò)球面鏡上的圓形耦合孔輸出。
[0011]所述陣列金屬光柵沿電子束傳輸方向?yàn)橹芷谂帕校菫榱嗽诠鈻疟砻娴玫絺鞑コ?shù)為2πη/1的周期諧波；所述陣列金屬光柵沿球面鏡軸線方向?yàn)橹芷谂帕校菫榱嗽龃笞?波互作用區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度，同時(shí)增大電子束與光柵表面電磁波的互作用區(qū)域。采用圓柱狀電子束進(jìn)行電子束-波互作用，是為了增加器件的互作用效率，降低器件對(duì)陰極發(fā)射電流密度的要求，同時(shí)減小聚焦磁場(chǎng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明提供的高頻系統(tǒng)示意圖；
[0013]其中:1、球面鏡；2、柱面鏡；3、陣列金屬光柵；4、矩形匹配槽；5、矩
[0014]形槽；6、圓形輸出f禹合孔；
[0015]圖2是所述高頻諧振系統(tǒng)在285GHz頻率下的場(chǎng)分布圖；
[0016]圖3中:Vp/c為腔模式一次空間諧波沿矩形金屬光柵表面?zhèn)鞑サ乃俣扰c光
[0017]速之比；λ為空間諧波波長(zhǎng)；
[0018]圖4是所述高頻結(jié)構(gòu)注-波互作用區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度與雙光柵繞射輻射器件高頻結(jié)構(gòu)注-波互作用區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)比圖；
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明提供的一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、陣列金屬光柵3，所述的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的上下反射鏡分別為方形球面鏡I和方形平凹柱面鏡2，在豎直方向上，沿著方形球面鏡軸線，所述的方形球面鏡上開(kāi)設(shè)有圓心耦合孔6，所述的方形平凹鏡內(nèi)部開(kāi)設(shè)有一大一小上下銜接的兩矩形凹槽4和5 ;所述的陣列金屬光柵周期嵌于較小的矩形凹槽5內(nèi)部，并沿豎直和水平方向周期排列；電子槍產(chǎn)生的電子束在水平方向上沿陣列金屬光柵間周期排列方向傳輸與該高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行互作用，利用圓柱形電子束與陣列光柵內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行注-波能量交換。
[0020]所述陣列金屬光柵寬度b為600 μ m, χ方向相鄰兩片陣列光柵的周期I1為130 μ m,相鄰兩片陣列光柵的間隔d為65 μ m, z方向相鄰兩片陣列光柵的周期I2為172 μ m,相鄰兩片陣列光柵的間隔m為132 μ m，光柵兩端嵌于柱面鏡內(nèi)的矩形槽5中。矩形槽5的寬度與陣列金屬光柵寬度b相同。
[0021]矩形槽4的高度h2為800 μ m,寬度b2為1500 μ m。矩形槽4的主要作用是增強(qiáng)矩形槽5內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)，矩形槽4的高度與寬度的確定原則為該尺寸參數(shù)下矩形槽5內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度最大。
[0022]方形平凹柱面鏡2的口徑L為5265 μ m，曲率半徑R為90000 μ m，其表面到口徑與曲率半徑均與方形柱面鏡2相同的方形球面鏡I之間的距離f為893 μ m。利用仿真軟件CST搭建由上述數(shù)結(jié)參數(shù)確定的結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算所得的諧振頻率為285GHz，內(nèi)部場(chǎng)分布如圖2所示。[0023]根據(jù)切倫科夫同步條件，計(jì)算所得結(jié)構(gòu)的腔模式一次空間諧波色散曲線，如圖3所示。由圖3可知:速度為0.129倍光速的電子束與SP輻射產(chǎn)生的285GHz高頻信號(hào)的腔模式一次空間諧波同步，同時(shí)電磁場(chǎng)受到諧振頻率為285GHz的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的諧振作用，建立起穩(wěn)定的相干振蕩。
[0024]所述高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度與雙光柵高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)比如圖4，所述高頻結(jié)構(gòu)腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度得到了明顯增強(qiáng)。該高頻結(jié)構(gòu)采用圓柱狀電子束進(jìn)行注-波互作用，能夠提高互作用效率、增大輸出功率。在功率輸出水平相同的情況下，該高頻結(jié)構(gòu)能夠有效減小陰極發(fā)射電流密度，提升陰極壽命，并降低對(duì)聚焦磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、陣列金屬光柵，其特征在于:所述的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔的上下反射鏡分別為方形球面鏡和方形平凹柱面鏡，在Z方向上，沿著方形球面鏡軸線方向，所述的方形球面鏡上開(kāi)設(shè)有圓心耦合孔，所述的方形平凹鏡內(nèi)部開(kāi)設(shè)有一大一小上下銜接的兩矩形凹槽；所述的陣列金屬光柵嵌于較小的矩形凹槽內(nèi)部，并沿X和Z方向周期排列；電子槍產(chǎn)生的電子束沿X方向陣列金屬光柵周期排列方向傳輸，與該高頻結(jié)構(gòu)內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行互作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲功率源高頻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的電子束截面為圓柱狀。
【文檔編號(hào)】H01S1/00GK103779763SQ201410032405
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】鄧光晟, 阮久福, 黃曉玲, 楊軍, 李浩光, 尹治平, 桑磊, 蔡斐, 呂國(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)