[发明专利]太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其方法

说明书

本发明公开了一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其方法。本发明采用波导辐射器将不同模式不同频率的高阶电磁波束有效辐射出去，工作在多个波导模式并且每个模式具有高可调谐带宽；准椭圆赋形反射镜对高阶电磁波束进行角向聚焦；双焦抛物面反射镜再对电磁波束进行轴线聚焦后，形成了多模频率可调谐高斯波束，平面反射镜调整波束的方向后经位于高斯波束束腰处的输出窗输出；本发明解决了现有针对频率可调回旋管的准光模式变换装置不能同时工作在多个具有宽频带的模式下的问题，适用于多模频率可调回旋管，能够对回旋管内多个模式的宽频带范围实现高效率的准光模式变换。

技术领域

本发明涉及真空电子学领域，具体涉及一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其变换方法。

背景技术

基于电子回旋脉塞机理的回旋管能够产生高功率电磁能量，是目前工作在太赫兹频段功率最高的电真空器件，在军事、材料和生物医学等领域有着广泛的应用，如远距离高分辨率雷达、材料处理与改性、生物无损检测、受控热核聚变反应堆加热等应用。传统的回旋管一般工作在固定频点上，难以满足动态核极化核磁共振(DNP-NMR)、等离子体加热抑制磁流体不稳定性等要求，频率可调回旋管的出现使得回旋管拥有更广泛的应用价值。目前，频率可调回旋管大致可以分为三种类型：一种是工作在多个波导模式，且每个模式对应于一个离散单频点的回旋管；第二种频率可调回旋管采用开放腔结构，工作在单个模式，且具有连续可调的约1GHz的带宽；第三种是回旋返波管，工作在返向行波状态，带宽在W波段可以达到10GHz。一种新型的太赫兹多模频率可调回旋管，采用预群聚行波互作用电路，可以工作在多个模式，且每个模式均可实现频率的连续变化，总体带宽可达100GHz。

回旋管通常采用准光模式变换装置将高阶的工作模式转换为可以在自由空间传输的高斯波束。针对频率可调回旋管，现有的准光模式变换技术大致可分为两种。一种可以实现单个模式下的宽频带输出；另一种可以工作在多个模式，但每个模式只能对单个频点实现模式变换。针对上文提到的这种新型的太赫兹多模频率可调回旋管，尚未有可实现多个模式下宽频带准光模式变换的装置。

发明内容

针对目前多模频率可调回旋管对模式变换的需求和现有准光模式变换装置无法实现多模式宽频带工作的不足，本发明提供一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其变换方法，解决现有宽频带准光模式变换装置只能工作在单个模式或分立的频点上的问题，从而解决多模频率可调回旋管的模式变换问题。

本发明的一个目的在于提出一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置。

本发明的太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置包括：波导辐射器、准椭圆赋形反射镜、双焦抛物面反射镜、平面反射镜和输出窗；其中，波导辐射器具有螺旋型切口，波导辐射器的轴沿z轴，将来自多模频率可调回旋管的不同模式不同频率的高阶电磁波束辐射出；波导辐射器工作在多个波导模式，且每个波导模式均具有可调谐带宽；波导模式的径向指数相同、角向指数高阶且连续变化，即准光模式变换装置工作在多个TE_mn模式，其中径向指数n相同，角向指数m高阶且连续变化；每个模式的可调谐带宽，在模式指数确定的情况下，满足使从波导辐射器辐射出的波束与z轴的夹角θ_B变化范围小于2°，且不同模式具有接近相同的θ_B变化范围，θ_B的表达式为：准椭圆赋形反射镜在xy平面为准椭圆形，准椭圆赋形反射镜的轴沿z轴，准椭圆赋形反射镜将来自多模频率可调回旋管的不同模式不同频率的高阶电磁波束进行角向聚焦；双焦抛物面反射镜在yz平面和xy平面均为独立的抛物线，且具有不同的焦距，双焦抛物面反射镜将角向聚焦后的波束进行轴向聚焦，从而形成多模频率可调高斯波束；平面反射镜对角向聚焦后和轴向聚焦后的波束进行方向调整；输出窗位于高斯波束的束腰处，输出窗所在的平面与y轴垂直，将聚焦准直的多模频率可调高斯波束输出，其中，χ'_mn为m阶第一类贝塞尔函数的导数的第n个非零根，c为真空中的光速，r_w为波导辐射器的半径，f为工作频率。