[发明专利]一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统

说明书

本发明公开了一种基于介质光栅Smith‑Purcell效应的相干电磁波辐射系统，包括电子发射装置、介质光栅和收集极。该辐射源通过电子发射装置周期性的发射电子团，激励起周期性矩形介质光栅连续域束缚态附近的谐振模式，最终在光栅的上、下两侧空间产生高强度的相干Smith‑Purcell辐射，所述的Smith‑Purcell辐射的频率为电子团发射频率的整数倍。本发明利用介质光栅产生相干太赫兹波，能够充分发挥半导体的先进工艺技术、高密度集成、价格低廉等优势，获得高效、紧凑的相干电磁波辐射系统。

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，更具体的说，涉及一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统。

背景技术

太赫兹波通常是指频率为0.1-10太赫兹的电磁波，在电磁频谱中的位置位于微波和红外之间，因其在电磁频谱中的特殊位置在信息和通信，材料科学研究，生物医学和军事应用等领域具有广阔的应用前景。针对太赫兹波在研究和工业领域的应用，科学家们对太赫兹辐射源开展了广泛研究。目前研究中面临的主要问题是缺少可调谐且高效的太赫兹辐射源，这也限制了太赫兹波的实际应用。

目前，国际上正在开发的太赫兹波辐射源可以分为三类：基于真空电子学的太赫兹波源、基于光子学的太赫兹波源、基于固态半导体电子学的太赫兹波源。基于真空电子学的太赫兹源是目前主要的电磁波辐射系统之一，包括：返波管、行波管扩展互作用管等。相较于返波管和行波管，基于Smith-Purcell效应的太赫兹电磁波辐射源可以在同样的几何结构参数下产生更高的辐射频率，更易于实现紧凑型、高强度的电磁波辐射系统，有望发展成为一种重要的太赫兹电磁波辐射源。

现有技术中，基于Smith-Purcell辐射的相干电磁波辐射源采用的是金属光栅，利用电子团激励金属光栅可以产生相干Smith-Purcell辐射，辐射频率等于电子团发射频率的正整数倍。与金属光栅相比，采用介质光栅能更充分的发挥半导体电子的先进工艺技术、高密度集成、价格低廉等优势，可能实现紧凑、高效的片上太赫兹电磁波辐射源。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统，包括依次布置的电子发射装置、介质光栅和收集极；

所述电子发射装置与收集极相对放置于同一水平面，高对比度介质光栅放置于电子发射装置与收集极之间，高度低于电子发射装置产生的电子团；

所述电子发射装置能够产生横截面为矩形的电子团，电子能量可以按要求设定；

所述介质光栅为高对比度介质光栅，包括由高折射率材料构成的周期分布的矩形结构和其周围的低折射率介质；

电子发射装置周期性的产生电子团，这些电子团从所述的介质光栅上方掠过，最终进入所述收集极；

所述周期发射的电子团在光栅上方掠过时激励起光栅在连续域束缚态附近的谐振模式，该谐振模式的频率是电子团发射频率的正整数倍，从而在光栅的上、下两侧空间同时产生高强度的Smith-Purcell辐射，该Smith-Purcell辐射为相干辐射，辐射频率为光栅谐振模式的频率，辐射方向与辐射频率和光栅周期有关。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于介质光栅Smith-Purcell效应的相干电磁波辐射系统采用的光栅为高对比度介质光栅，而传统Smith-Purcell辐射源普遍采用金属光栅。与金属光栅相比，介质光栅可以采用半导体加工工艺加工，更易实现高密度集成。

附图说明