基于两段矩形光栅的史密斯‑帕赛尔电磁辐射源的制作方法

本发明涉及一种电磁学中的真空电子技术，尤其涉及一种基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源。

背景技术：

波长在毫米或亚毫米量级、频率在太赫兹波段的电磁波在生命科学、材料科学、高速通信以及国家安全等诸多领域具有广阔的应用前景，是当前国内外研究者普遍关注的热点研究课题。这个波段的电磁辐射源是发展太赫兹技术的基础。

现有工作在该频段的电磁辐射源要么功率效率极低(如倍频实现的固态源)，要么加工极其困难(如传统真空电子学源)，要么设备及其复杂、成本极高(包括基于光学差频的辐射源、基于波荡器的传统自由电子激光、以及回旋电子脉塞等)。

基于带电粒子激励光栅产生的相干smith-purcell辐射效应的smith-purcell自由电子激光是有望发展成为工作在太赫兹频段的重要电磁辐射源。

现有技术中，传统smith-purcell自由电子激光，利用连续电子注在光栅结构表面与反向慢波的相互作用，使连续电子注发生群聚，形成一系列周期性排列的电子团，这些电子团在光栅表面产生相干smith-purcell辐射，辐射频率为电子团群聚频率的正整数倍，即谐波。辐射强度随频率倍数的提高急剧下降，因此，传统的smith-purcell自由电子激光通常只能产生频率为群聚频率两倍(即二次谐波)的电磁辐射。辐射频率较难达到理想的太赫兹频段，即辐射频率在0.3thz甚至0.5thz以上。

另一方面，现有的smith-purcell自由电子激光是基于普通的smith-purcell辐射。理论和数值仿真表明，通过调节电子注和光栅参数，可以得到一种特异的smith-purcell辐射。它与普通smith-purcell辐射的核心区别在于：对于普通smith-purcell辐射，电子注主要激励起光栅表面的慢电磁波并与之相互作用，激发的辐射波发散到光栅上半空间的各个方向，且每个方向的辐射频率不同；而对于特异smith-purcell辐射，电子注只能激励起辐射波并与之相互作用，其辐射频率与方向是特定的，辐射频率与方向均可以通过调节光栅结构和电子注速度确定。特异smith-purcell辐射的辐射强度比普通smith-purcell辐射强度高近一个数量级。这是本发明利用相干特异smith-purcell辐射的出发点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源，包括产生矩形带状电子注的电子枪、大尺寸平板金属矩形光栅、小尺寸平板金属矩形光栅和收集极；

所述电子枪与收集极相对应，所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅依次放置在电子枪于收集极之间，所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅的上表面到所述矩形带状电子注的距离相等；

所述电子枪产生匀速的矩形带状电子注依次地掠过所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅的上表面，最后进入所述收集极；

所述矩形带状电子注在所述大尺寸平板金属矩形光栅表面与反向慢波相互作用，进而产生电子群聚，形成一系列周期性排列的电子团，这些电子团在光栅表面产生相干的普通smith-purcell辐射，辐射频率为电子团群聚频率的正整数倍，当这些电子团进入到所述小尺寸平板金属矩形光栅表面时，小尺寸平板金属矩形光栅产生特异smith-purcell辐射，辐射频率也为电子团群聚频率的正整数倍，所述大尺寸平板金属矩形光栅表面产生的相干普通smith-purcell辐射能产生两倍于群聚频率的电磁辐射，所述小尺寸平板金属矩形光栅的特异smith-purcell辐射能产生五倍甚至六倍的电磁辐射。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源，与传统smith-purcell自由电子激光相比，可以使smith-purcell自由电子激光工作在更高次谐波上，辐射频率提高2到3倍。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源的二维模型结构示意图。

图2为本发明实施例中仿真得到小尺寸平板金属矩形光栅表面的电场频谱。

图3为本发明实施例中仿真得到小尺寸平板金属矩形光栅上半空间的5次谐波辐射电场时域图及其与传统smith-purcell自由电子激光的比较。

图中：

1电子枪，2带状电子注，3收集极，4大尺寸金属矩形光栅，5小尺寸金属矩形光栅，6特异smith-purcell辐射。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

本发明的基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源，其较佳的具体实施方式是：

包括产生矩形带状电子注的电子枪、大尺寸平板金属矩形光栅、小尺寸平板金属矩形光栅和收集极；

所述电子枪与收集极相对应，所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅依次放置在电子枪于收集极之间，所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅的上表面到所述矩形带状电子注的距离相等；

所述电子枪产生匀速的矩形带状电子注依次地掠过所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅的上表面，最后进入所述收集极；

所述矩形带状电子注在所述大尺寸平板金属矩形光栅表面与反向慢波相互作用，进而产生电子群聚，形成一系列周期性排列的电子团，这些电子团在光栅表面产生相干的普通smith-purcell辐射，辐射频率为电子团群聚频率的正整数倍，当这些电子团进入到所述小尺寸平板金属矩形光栅表面时，小尺寸平板金属矩形光栅产生特异smith-purcell辐射，辐射频率也为电子团群聚频率的正整数倍，所述大尺寸平板金属矩形光栅表面产生的相干普通smith-purcell辐射能产生两倍于群聚频率的电磁辐射，所述小尺寸平板金属矩形光栅的特异smith-purcell辐射能产生五倍甚至六倍的电磁辐射。

所述的特异smith-purcell辐射是由匀速带电粒子与光栅的辐射波相互作用而产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的。

所述的特异smith-purcell辐射在原理上是由光栅的矩形槽中的谐振模式在匀速带电粒子的激发下依次产生的辐射，光栅中的每个矩形槽是一个开放的谐振腔，也即是一个辐射单元，整个光栅构成一系列开放谐振腔形成的阵列。

所述的特异smith-purcell辐射的强度比普通smith-purcell辐射强度高一个数量级。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明利用矩形带状电子注激励两段矩形光栅产生增强的相干特异smith-purcell辐射的光源技术，方案图如附图1所示：

包括产生矩形带状电子注的电子枪、大尺寸平板金属矩形光栅、小尺寸平板金属矩形光栅和收集极；电子枪与收集极相对应，大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅依次放置在电子枪和收集极之间；两个金属矩形光栅的上表面到电子注的距离相等；电子枪产生的匀速矩形带状电子注依次地掠过大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅的表面，最后进入收集极；矩形带状电子注在大尺寸平板金属矩形光栅表面与反向慢波相互作用，进而产生电子群聚，形成一系列周期性排列的电子团，这些电子团在光栅表面产生相干的普通smith-purcell辐射，辐射频率为电子团群聚频率的正整数倍。当这些电子团进入到小尺寸平板金属矩形光栅表面时，小尺寸平板金属矩形光栅产生特异smith-purcell辐射，辐射频率也为电子团群聚频率的正整数倍，它与大尺寸平板金属矩形光栅表面产生的相干普通smith-purcell辐射不同的是，普通smith-purcell辐射(即传统smith-purcell自由电子激光)只能产生两倍于群聚频率的电磁辐射，而小尺寸平板金属矩形光栅的特异smith-purcell辐射可以产生更高倍数频率(五倍甚至六倍)的电磁辐射，因而可以显著提高辐射频率。

其中，所述的特异smith-purcell辐射是由匀速带电粒子与光栅的辐射波相互作用而产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的。

其中，所述的特异smith-purcell辐射原理上是由光栅的矩形槽中的谐振模式在匀速带电粒子的激发下依次产生的辐射，光栅中的每个矩形槽是一个开放的谐振腔，也即是一个辐射单元，整个光栅构成一系列开放谐振腔形成的阵列。

其中，所述的特异smith-purcell辐射的强度比普通smith-purcell辐射强度高近一个数量级。

本发明具有如下优点：

辐射频率更高；

与传统smith-purcell自由电子激光相比，本发明可以使smith-purcell自由电子激光工作在更高次谐波上，辐射频率提高2到3倍。

辐射功率相对较高：

与传统smith-purcell自由电子激光相比，本发明在高次谐波分量出的辐射强度明显增大。

结构紧凑且易实现：

本发明结构简单，要求的工作电压低，不需要庞大的外部附加设备，易实现小型化和集成。

具体实施例：

以下给出优化得到的本发明的具体实施参数和仿真结果。大尺寸平板金属矩形光栅：光栅周期0.9mm，光栅梳齿间缝隙宽度0.45mm，光栅梳齿深度0.45mm；小尺寸平板金属矩形光栅：光栅周期0.35mm，光栅梳齿间缝隙宽度0.05mm，光栅梳齿深度0.1mm；电子注加速电压80千伏，电流密度50安培每平方厘米，电子注在x方向的厚度为0.1mm。图2显示小尺寸平板金属矩形光栅的表面激励起的5次谐波(频率为0.491thz)的强度比低次谐波(2，3，4次谐波)的强度更强，说明它可以激励频率跟高的电磁辐射；图3为仿真得到的小尺寸平板金属矩形光栅上半空间的5次谐波辐射电场时域图，可以看到，本方案比传统smith-purcell自由电子激光模型的辐射场强提高了4到5倍，也就是说辐射功率提高了约20倍。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。