[发明专利]太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其方法

权利要求书

1.一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置，其特征在于，所述准光模式变换装置包括：波导辐射器、准椭圆赋形反射镜、双焦抛物面反射镜、平面反射镜和输出窗；其中，所述波导辐射器具有螺旋型切口，波导辐射器的轴沿z轴，将来自多模频率可调回旋管的不同模式不同频率的高阶电磁波束辐射出；准光模式变换装置工作在多个TE_mn模式，其中径向指数n相同，角向指数m高阶且连续变化；每个模式的可调谐带宽，在模式指数确定的情况下，满足使从波导辐射器辐射出的波束与z轴的夹角θ_B变化范围小于2°，且不同模式具有接近相同的θ_B变化范围，θ_B的表达式为：所述准椭圆赋形反射镜在xy平面为准椭圆形，准椭圆赋形反射镜的轴沿z轴，准椭圆赋形反射镜将来自多模频率可调回旋管的不同模式不同频率的高阶电磁波束进行角向聚焦；所述双焦抛物面反射镜在yz平面和xy平面均为独立的抛物线，且具有不同的焦距，双焦抛物面反射镜将角向聚焦后的波束进行轴向聚焦，从而形成多模频率可调高斯波束；所述平面反射镜对角向聚焦后和轴向聚焦后的波束进行方向调整；输出窗位于高斯波束的束腰处，输出窗所在的平面与y轴垂直，将聚焦准直的多模频率可调高斯波束输出，其中，χ′_mn为m阶第一类贝塞尔函数的导数的第n个非零根，c为真空中的光速，r_w为波导辐射器的半径，f为工作频率。

2.如权利要求1所述的准光模式变换装置，其特征在于，所述波导辐射器为弗拉索夫型辐射器，具有螺旋型切口，切口长度L_c为所有模式在各个频点处布里渊区的最大轴向长度，切口长度L_c的满足下式：

L_c≥2πr_wcotθ_Bsinθ/θ

其中，r_w为波导辐射器的半径，θ为波导横向上射线传播方向和反射点处切线的夹角。

3.如权利要求1所述的准光模式变换装置，其特征在于，所述具有螺旋型切口的波导辐射器，其半径使该波导辐射器的截止频率远小于可调谐频率范围。

4.如权利要求1所述的准光模式变换装置，其特征在于，所述准椭圆赋形反射镜、双焦抛物面反射镜、平面反射镜和输出窗的尺寸足够大，以保证波束被全部反射并输出。

5.如权利要求1所述的准光模式变换装置，其特征在于，所述准椭圆赋形反射镜在xy平面为准椭圆形，采用射线的等相位原理对标准椭圆曲线方程加以修正，得到不规则的准椭圆面，准椭圆面上的坐标点的表达式为：

其中，R_c为波导辐射器内射线形成的焦散圆的半径，且R_c＝r_wm/χ′_mn；为射线与x轴的夹角；为射线起始点到准椭圆反射镜的光程，其表达式为其中l₁为在y轴方向上坐标原点到准椭圆镜面的垂直距离，l₂为坐标原点到准椭圆焦点的距离。

6.如权利要求1所述的准光模式变换装置，其特征在于，所述双焦抛物面反射镜在yz平面和xy平面均为独立的抛物线，且具有不同的焦距，其表达式为：

其中，F₁和F₂分别为xy平面和yz平面的抛物线的焦距。