[发明专利]基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法

说明书

基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，通过频率设计不同介电常数的材料组分及厚度，在材料的拓扑态突变点来设计器件输出辐射特性，具体步骤：S1、设计一种支持突变拓扑态的辐射器件结构，分为石墨烯层/氮化硼层/金属铝层三层，其中石墨烯层在极紫外为介质特性，金属铝层实现金属特性；S2、辐射器件结构的厚度设计；S3、辐射场强及电子飞行距离设计，拓扑态突变点的切伦科夫辐射波矢方向沿传播方向，将电磁波的能流方向与波矢方向垂直，实现电子能量最大化提取。本发明利用材料拓扑态突变来实现高功率微波辐射；在利用低电子能量实现辐射的基础上，实现可调窄带高功率输出，从而形成高功率中心频率可调辐射芯片设计及研制。

技术领域

本发明涉及高功率微波器件设计领域，具体涉及一种基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法。

背景技术

当带电粒子以一定速度阈值穿过电介质时，驱动介质发出的电磁辐射被称为切伦科夫辐射。切伦科夫辐射的产生需要将带电粒子速度超过电磁波在媒质中的相速度。传统产生切伦科夫辐射需要电子能量大约为几百keV。在这种高压需求下的辐射源不论是从安全、成本还是稳定性都难以满足实际应用条件。

为降低产生切伦科夫辐射所需电子能量，美国麻省理工学院Marin Soljacic等人公开了利用高阶Smith-Purcell效应来实现低电子能量辐射，电子能量为4keV，受限于半导体加工工艺，输出波长最短为400纳米；刘盛刚院士等公开了切伦科夫表面等离子激元方法来实现微型辐射源，输出波长500纳米，所需电子能量为15keV；肖龙等人公开了双曲超材料中切伦科夫辐射器件设计方法，通过利用双曲超材料中的大波矢来提取低能量电子周围电磁能量。但双曲超材料设计依赖于该频段的金属与介质材料的本征电磁特性，在太赫兹、极深紫外等频段目前没有相对应的材料体系，目前尚无极紫外频段高功率辐射源的设计方法及相关技术。同时辐射功率谱较宽，在实际应用时单频率辐射电磁功率谱密度较低，辐射中心频率不能调控，极大限制极紫外辐射源的应用。

高功率辐射源器件是高功率微波系统的核心模块，传统器件采用电真空相关技术。对于电真空技术，频率越高，加工难度越大，器件辐射效率越低。传统媒质的介电常数的色散曲线为“椭圆曲线型”，如图1所示。在双曲超材料中，介电常数色散曲线如图2所示为“双曲线型”。针对目前缺乏微型高频、高功率电磁波辐射器件的难题，进行高功率极紫外辐射源的设计、研制，寻找一个方法实现色散曲线由“椭圆曲线型”转变为“双曲线型”的拓扑态发生突变的状态来设计器件辐射特性，分别由图1中正“椭圆曲线型”转变为图2中“双曲线型”，图1中负“椭圆曲线型”转变为图2中“双曲线型”。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对传统材料受限于介电常数不能到达一定频段的不足，提供一种基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，利用材料拓扑态突变来实现高功率微波辐射；在利用低电子能量实现辐射的基础上，实现可调窄带高功率输出，从而形成高功率中心频率可调辐射芯片设计及研制。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，通过频率设计不同介电常数的材料组分及厚度实现色散曲线由“椭圆曲线型”转变为“双曲线型”的拓扑态发生突变的状态，在材料的拓扑态突变点来设计器件输出辐射特性，具体包括如下步骤：

S1、设计一种支持突变拓扑态的辐射器件结构，该辐射器件结构分为石墨烯层/氮化硼层/金属铝层三层，其中石墨烯层在极紫外为介质特性，金属铝层实现金属特性；

S2、辐射器件结构的厚度设计，石墨烯层的层数、氮化硼层与金属铝层的厚度依据公式(1)、(2)进行确定：

ε_y＝ε_z＝mε_g+nε_d+(1-m-n)ε_m (2)