基于受激放大相干辐射的多频多端口太赫兹源产生方法

本发明涉及信号处理，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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。

8、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：

9、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；

10、将电子束中的电子加速至器件工作所需的设定速度。

11、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：

12、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；

13、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。

14、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：

15、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；

16、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；

17、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。

18、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：

19、设置辐射光栅的周期、高度、宽度参数确定相应的谐振模式；

20、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。

21、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：

22、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；

23、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；

24、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；

25、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；

26、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。

27、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：

28、电子发射源、谐振腔、泵浦源、群聚光栅和辐射光栅；

29、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；

30、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；

31、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。

32、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；

33、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。

34、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：

35、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。

36、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。