[发明专利]一种基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源

摘要

本发明公开了一种基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源，包括电子枪(1)、金属矩形光栅(3)、收集极(4)、金属平板反射镜(6)和输出端口(8)；电子枪(1)与收集极(4)相对应，金属矩形光栅(3)在电子枪(1)与收集极(4)之间设置，金属平板反射镜(6)位于金属矩形光栅(3)上面，输出端口(8)设置在金属平板反射镜(6)上。本发明可以使电子注起振电流密度显著降低，通过调节反射镜到光栅的距离，可以可控地工作在最低模或者二次模式，结构简单，要求的工作电压低，不需要庞大的外部附加设备，极易实现小型化和集成。

主权项

一种基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源，其特征在于：包括电子枪(1)、金属矩形光栅(3)、收集极(4)、金属平板反射镜(6)和输出端口(8)；电子枪(1)与收集极(4)相对应，金属矩形光栅(3)在电子枪(1)与收集极(4)之间设置，金属平板反射镜(6)位于金属矩形光栅(3)上面，输出端口(8)设置在金属平板反射镜(6)上，电子枪(1)产生的匀速带状的电子注(2)掠过金属矩形光栅(3)的上表面，匀速带状的电子注(2)最后进入收集极(4)，匀速带状的电子注(2)在金属矩形光栅(3)表面产生沿垂直向上的特异Smith‑Purcell辐射波(5)，特异Smith‑Purcell辐射波(5)被设置的金属矩形光栅(3)上方的金属平面反射镜(6)反射回来形成反射波(7)，反射波(7)反过来与匀速带状的电子注(2)相互作用，匀速带状的电子注(2)能量转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过设置金属平板反射镜(6)上的输出端口(8)输出；所述的特异Smith‑Purcell辐射是由匀速带电粒子与光栅的辐射波相互作用而产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的；所述的特异Smith‑Purcell辐射原理上是由光栅的矩形槽中的谐振模式在匀速带电粒子的激发下依次产生的辐射，光栅中的每个矩形槽是一个开放的谐振腔，也即是一个辐射单元，整个光栅构成一系列开放谐振腔形成的阵列；所述的特异Smith‑Purcell辐射的辐射频率是由矩形槽的结构参数决定，该频率就是开放谐振腔的谐振频率；所述的特异Smith‑Purcell辐射的强度比普通Smith‑Purcell辐射强度高近一个数量级；在所述的太赫兹辐射源中，特异Smith‑Purcell辐射的方向是垂直向上的；所述的金属平板反射镜处在矩形光栅的正上方，且水平放置，它将垂直向上的特异Smith‑Purcell辐射反射回来；该基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源利用了电子注在光栅表面产生的特异Smith‑Purcell辐射，特异Smith‑Purcell辐射与普通Smith‑Purcell辐射的核心区别在于：对于普通Smith‑Purcell辐射，电子注主要激励起光栅表面的慢电磁波并与之相互作用，激发的辐射波是非相干的，辐射波发散到光栅上半空间的各个方向，且每个方向的辐射频率不同；而对于特异Smith‑Purcell辐射，电子注只能激励起辐射波并与之相互作用，产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的，特异Smith‑Purcell辐射的辐射强度比普通Smith‑Purcell辐射强度高近一个数量级，通过调节电子注能量和光栅结构尺寸，使得特异Smith‑Purcell辐射的辐射方向垂直向上，然后利用金属平面反射镜将垂直辐射场反射回来，反射波与电子注相互作用，将电子注能量转化为电磁波能量，使得电磁波得到放大，由于特异Smith‑Purcell辐射强度比较普通Smith‑Purcell辐射强度高，因此在光栅和反射镜之间将激励起更强的高频场，这些高频场与电子注相互作用加强，从而降低了电子注起振电流，同时增大了输出功率；该基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源起振电流密度低，利用该基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源可以使起振电流密度显著降低，粒子模拟结果表明，利用电流密度小于50安培每平方厘米的电子注就可以激发频率接近1THz的电磁辐射；该基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源辐射功率高，该基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源在0.32THz频率的平均辐射功率超过4W，在0.96THz的平均输出功率超过800mW，远远超过工作在该频段的大多数现有电磁辐射源；该基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源可多模工作，通过调节反射镜到光栅的距离，可以可控地工作在最低模或者二次模式，频率分别在0.32THz左右和0.96THz左右；该基于特异Smith‑Purcell效应的太赫兹辐射源结构紧凑且易实现，结构简单，要求的工作电压低，不需要庞大的外部附加设备，极易实现小型化和集成。