[发明专利]工作在高次模的太赫兹EIO制作方法及该太赫兹EIO及谐振腔

说明书

本发明涉及一种工作在高次模的太赫兹EIO制作方法及该太赫兹EIO及谐振腔，在高次模工作环境下，通过对工作电压、电流的优化，在保证太赫兹扩展互作用振荡器稳定运行的前提下，确定太赫兹扩展互作用振荡器中谐振间隙数目；与传统的工作在基模的扩展互作用振荡器有较大差别。通过选择TM₃₁模作为工作模式，在相同工作频率下，谐振腔的空间得以扩大。这样做，一方面提高了谐振腔内部的功率容量，有助于提升器件的输出功率；另一方面，器件尺寸得到扩大，可以在一定程度上降低微细加工的难度。最终的器件可以实现约85W的功率输出，工作频率为338.4GHz。该工作在高次模的设计方法适用于提高太赫兹扩展互作用振荡器的输出功率和器件的工程可实现性。

技术领域

本发明属于高性能太赫兹源，具体涉及用于提高太赫兹(太赫兹，Terahertz,1THz＝10¹²Hz)扩展互作用振荡器输出功率和可行性的高频结构。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率从0.3THz到3THz(1THz＝10¹²Hz)，介于毫米波与红外光之间的电磁波，这是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段。太赫兹波位于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域，由于所处的特殊位置，造成其辐射具有渗透性强、分辨率高、非电离传播、谱特征丰富等独特的优点。太赫兹波的这些特征，使其在信息通信、医疗诊断、生物技术、材料科学、天文学、军事等领域具有巨大的应用潜能，引起了世界各国的高度重视。在太赫兹技术中，太赫兹辐射源是太赫兹应用的基础，但是由于目前现有的大部分太赫兹源在室温环境下工作不稳定以及输出功率不高等因素的影响，太赫兹科学的进一步发展受到了极大的制约，因此研制出性能稳定、具有较高输出性能的太赫兹辐射源是太赫兹技术发展的根本。

到目前为止，真空电子学的方法是室温下产生高功率太赫兹辐射的最常用手段。而在真空电子器件中，扩展互作用器件(Extended Interaction Devices,EIDs)是一类重要的产生器件，它主要包含了振荡器和放大器。尤其是扩展互作用振荡器(EIO)发展非常迅速，目前商用EIO已经发展到了220GHz频段。加拿大的CPI公司是目前世界范围内，开展EIO研制技术最先进、经验最丰富的单位，其生产的220GHz连续波EIO器件，可以在达到10W左右的功率输出，参考文献：http://www.cpii.com/product.cfm/4/40/155，体现了较高的设计和加工水平。

但是随着工作频率的继续上升，由于器件的共渡效应，扩展互作用器件的结构尺寸已经下降到亚毫米量级，此时器件的结构尺寸对加工精度提出了非常高的要求。过于精细的结构特征大大增加了器件的加工难度。同时，由于高频结构中的谐振腔具有非常高的Q值，腔内过高的功率密度极其容易产生电打火现象，严重限制了器件整体的功率容量。

发明内容

为了解决太赫兹波段EIO器件的可实现性和可靠性难题，本发明提出了一种制作工作在高次模式的太赫兹扩展互作用振荡器的方法，并基于该方法设计了0.3THz的扩展互作用振荡器，该器件能够稳定工作，相比工作在相同频率的基模扩展互作用振荡器，该高次模扩展互作用振荡器的结构尺寸扩大了近两倍。本发明振荡器在15kV、160mA的电子束条件下，可以得到约85W的功率输出，器件的工作频率为338.4GHz。

本发明的技术解决方案为提供一种太赫兹扩展互作用振荡器的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤一：在高次模工作环境下，通过对工作电压、电流的优化，在保证太赫兹扩展互作用振荡器稳定运行的前提下，确定太赫兹扩展互作用振荡器中谐振间隙数目；

步骤二：根据束波互作用的同步条件，确定工作在高次模的太赫兹扩展互作用振荡器中每个谐振间隙的尺寸；

步骤三：根据输出端口反射系数，确定梯形输出波导结构尺寸；

步骤四：根据步骤一至步骤三得出的参数制作太赫兹扩展互作用振荡器。