[发明专利]基于两段矩形光栅的史密斯‑帕赛尔电磁辐射源

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁学中的真空电子技术，尤其涉及一种基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源。

背景技术

波长在毫米或亚毫米量级、频率在太赫兹波段的电磁波在生命科学、材料科学、高速通信以及国家安全等诸多领域具有广阔的应用前景，是当前国内外研究者普遍关注的热点研究课题。这个波段的电磁辐射源是发展太赫兹技术的基础。

现有工作在该频段的电磁辐射源要么功率效率极低(如倍频实现的固态源)，要么加工极其困难(如传统真空电子学源)，要么设备及其复杂、成本极高(包括基于光学差频的辐射源、基于波荡器的传统自由电子激光、以及回旋电子脉塞等)。

基于带电粒子激励光栅产生的相干Smith-Purcell辐射效应的Smith-Purcell自由电子激光是有望发展成为工作在太赫兹频段的重要电磁辐射源。

现有技术中，传统Smith-Purcell自由电子激光，利用连续电子注在光栅结构表面与反向慢波的相互作用，使连续电子注发生群聚，形成一系列周期性排列的电子团，这些电子团在光栅表面产生相干Smith-Purcell辐射，辐射频率为电子团群聚频率的正整数倍，即谐波。辐射强度随频率倍数的提高急剧下降，因此，传统的Smith-Purcell自由电子激光通常只能产生频率为群聚频率两倍(即二次谐波)的电磁辐射。辐射频率较难达到理想的太赫兹频段，即辐射频率在0.3THz甚至0.5THz以上。

另一方面，现有的Smith-Purcell自由电子激光是基于普通的Smith-Purcell辐射。理论和数值仿真表明，通过调节电子注和光栅参数，可以得到一种特异的Smith-Purcell辐射。它与普通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，其辐射频率与方向是特定的，辐射频率与方向均可以通过调节光栅结构和电子注速度确定。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。这是本发明利用相干特异Smith-Purcell辐射的出发点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源，包括产生矩形带状电子注的电子枪、大尺寸平板金属矩形光栅、小尺寸平板金属矩形光栅和收集极；

所述电子枪与收集极相对应，所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅依次放置在电子枪于收集极之间，所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅的上表面到所述矩形带状电子注的距离相等；

所述电子枪产生匀速的矩形带状电子注依次地掠过所述大尺寸平板金属矩形光栅和小尺寸平板金属矩形光栅的上表面，最后进入所述收集极；

所述矩形带状电子注在所述大尺寸平板金属矩形光栅表面与反向慢波相互作用，进而产生电子群聚，形成一系列周期性排列的电子团，这些电子团在光栅表面产生相干的普通Smith-Purcell辐射，辐射频率为电子团群聚频率的正整数倍，当这些电子团进入到所述小尺寸平板金属矩形光栅表面时，小尺寸平板金属矩形光栅产生特异Smith-Purcell辐射，辐射频率也为电子团群聚频率的正整数倍，所述大尺寸平板金属矩形光栅表面产生的相干普通Smith-Purcell辐射能产生两倍于群聚频率的电磁辐射，所述小尺寸平板金属矩形光栅的特异Smith-Purcell辐射能产生五倍甚至六倍的电磁辐射。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源，与传统Smith-Purcell自由电子激光相比，可以使Smith-Purcell自由电子激光工作在更高次谐波上，辐射频率提高2到3倍。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于两段矩形光栅的史密斯-帕赛尔电磁辐射源的二维模型结构示意图。

图2为本发明实施例中仿真得到小尺寸平板金属矩形光栅表面的电场频谱。

图3为本发明实施例中仿真得到小尺寸平板金属矩形光栅上半空间的5次谐波辐射电场时域图及其与传统Smith-Purcell自由电子激光的比较。

图中：