[发明专利]用于高效产生光辐射的光学磁控管,以及1/2λ引发的磁控管振荡模式工作

说明书

技术领域

本发明一般涉及光源，更准确地说涉及一种光学磁控管形式的高效光源。

发明背景

磁控管在本领域中是公知的。长久以来磁控管一直被用作微波能的高效光源。例如，在微波炉中通常采用磁控管产生足够的微波能量来加热和冷却不同食物。磁控管的使用在高效工作方面是合乎需要的，从而避免了与过量功率消耗、热损耗等相关的高成本。

微波磁控管采用恒定磁场以产生旋转电子空间电荷。空间电荷与多个微波谐振腔相互作用而产生微波辐射。迄今为止，一般磁控管的最大工作频率限于大约100千兆赫(Ghz)以下。以前之所以没有考虑更高频率的工作实际上可能存在多种原因。例如，为了使磁控管具有非常小的尺寸将要求极高的磁场。另外，非常小的微波谐振器的制造是相当困难的。这些问题在以前使得更高频率磁控管的制造成为不必要和不实际的。

鉴于前面提到的与传统微波磁控管相关的缺点，强烈需要工作频率超过100千兆赫的适合实际应用的磁控管(即光学磁控管)。例如，在本领域中强烈需要一种与传统类型光源(例如白炽灯、荧光灯、激光器等)相比能够产生以更高效率产生光的光源。这种光源将应用于包括，但不限于，光通信，商业和工业照明，制造业等在内的多种应用中。

发明概述

本发明提供一种适用于工作在迄今为止传统磁控管未能达到的频率的光学磁控管。本发明的光学磁控管能够在红外和可见光波段内的频率处产生高效率、高功率电磁能量，频率可能会扩展至诸如紫外、X-射线等的更高频率波段。结果，本发明的光学磁控管可以用做多种应用中的光源，这些应用如长距离光通信、商业和工业照明、制造业等。

本发明的光学磁控管的优点在于它不需要极高的磁场。相反，此光学磁控管优选使用具有更高谐振强度的磁场，最好是从永久磁铁得到的磁场。磁场强度决定了阴极与阳极之间相互作用区域(在此也称之为阳极-阴极空间)内电子空间电荷的旋转半径。阳极包括多个小的谐振腔，根据所需要的工作波长设定谐振腔的尺寸。提供一种方法以便强制多个谐振腔工作在所谓的磁控管振荡方式。特别是迫使每个谐振腔与其紧邻的谐振腔产生异相的磁控管震荡pi-半径。设置输出耦合器或耦合器阵列而将光辐射从谐振腔中耦合出来，以便输送有用的输出功率。

本发明还提供若干用于制造这种光学磁控管的适合的方法。这些方法包括沿限定阳极-阴极空间的阳极的壁产生非常大量的谐振腔。例如使用各种半导体器件生产过程中通常所使用的光刻和/或微加工技术来形成谐振腔。给定的阳极可以包括数万、数十万或者甚至数百万个基于这些技术的谐振腔。通过迫使谐振腔以磁控管振荡方式震荡，与传统磁控管相比可能提高功率级和效率。

根据本发明的一个方面，提供一种光学磁控管。该光学磁控管使用多个谐振腔将电能转换成光辐射。

根据本发明的一个特定方面，提供一种光学磁控管。该光学磁控管包括：由阳极-阴极空间分开的一阳极和一阴极；用于在阳极和阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；设置至少一个磁铁，以在阳极-阴极空间中提供通常垂直于该电场的直流磁场；以及多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；其中该谐振腔中的每一个均被设计成在波长λ近似为10微米或更小的频率处谐振。

根据本发明的另一个方面，提供一种光学磁控管，该光学磁控管包括：一具有半径rc的圆柱形阴极；一具有半径ra的环形阳极，该阳极与该阴极共轴对齐以便限定一具有宽度wa＝ra-rc的阳极-阴极空间；用于在阳极与阴极之间施加直流电压和跨过阳极-阴极空间建立电场的电气插头；设置至少一个磁铁，以便在阳极-阴极空间内提供通常垂直于该电场的直流磁场；以及多个谐振腔，每个谐振腔具有一沿限定阳极-阴极空间的阳极表面的开口，从而使从阴极发射的电子受到电场和磁场的影响，以遵循通过阳极-阴极空间的路径，并紧邻谐振腔的开口通过而在谐振腔中产生谐振场；其中将每个谐振腔设计成在具有波长λ的频率处谐振，并且阳极表面的周长2πra大于λ。