[发明专利]一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法

说明书

本发明公开了一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法。本发明采用真空电子学方法，将圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体，直接产生太赫兹涡旋波束，避免了太赫兹器件匮乏和太赫兹波强衍射的问题，将传统的太赫兹波束源和太赫兹波束转化为涡旋波束的两段结构集成在一起，直接构成太赫兹涡旋波束源；本发明只需要环形阴极和静磁场即可，不需要复杂的馈源电路；本发明所产生的太赫兹涡旋波束可以工作在超宽频带范围内；本发明能够实现在宽带范围内对太赫兹涡旋波束进行模式调谐和波束扫描；本发明所产生的涡旋波束的旋性仅与螺旋周期结构的旋性有关，所产生的涡旋波束具有很强的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及涡旋波束技术，具体涉及一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法。

背景技术

涡旋波束是一种具有螺旋相位波前的特殊的电磁波，它自被发现起已经引起了广泛的兴趣，并在光学操纵、电磁成像、传感以及通信等领域发挥重要作用。在太赫兹波段，涡旋波束同样可以被应用于太赫兹通信、超分辨率成像、光谱学探测、电子加速等领域。但是受制于太赫兹器件和太赫兹源的发展，如何在太赫兹波段高效的激发宽带可调谐的多模涡旋波束一直没有得到有效的解决。目前可以通过螺旋相位板、超表面、全息相位板、液晶、阵列天线等结构在太赫兹波段产生涡旋波束，但是这些方法均仍存在以下这些问题需要解决：一、结构的参数一旦确定后，器件所产生的涡旋波束的涡旋模式调节起来比较困难，不利于多模涡旋波束的应用；二、这些器件均操纵和转化已有的太赫兹波束，由于太赫兹器件的匮乏以及太赫兹波具有比较强的衍射效应，这些方法无法产生纯度较高的太赫兹涡旋波束；三、由于超表面结构是基于谐振原理工作的，因此它只能工作于谐振点附近，工作带宽窄；四、这些结构所激发的涡旋波束的辐射方向难以进行调节；五、对于阵列和天线结构，馈电网络复杂和体积庞大，不易于实现紧凑的结构。中国专利申请号202010357771.1中提供的OAM模式辐射器，是基于人工表面等离激元原理工作的宽带涡旋波束辐射器，馈源馈入的能量会在所辐射的涡旋波束的所有频点上近乎均匀的分布，无法实现单频点精确的能量转化，存在频谱能量发散的问题。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法；本发明通过群聚电子束的方法实现单频点能量的增强，产生能够在较宽频带内调谐的能量集中的单频点涡旋波束辐射，解决了能量在频谱上发散的问题，提高了系统在工作频点上的能量转化效率；本发明能够分别在多个频段内实现多涡旋模式的涡旋波束的激励；所产生的涡旋波束的涡旋模式由频段确定；向空间辐射的方向由工作频点确定；通过调节电子束的工作电压，本方法能够实现涡旋波束的多模宽带调谐和波束扫描。

本发明的一个目的在于提出一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源。

本发明的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源位于真空系统中，包括：环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅、环形金属收集极和静磁场装置；其中，沿着电子束运动方向，圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体；在圆柱光栅的头部发射端口设置环形直流电子发射源，在螺旋光栅的尾部收集端口设置环形金属收集极；静磁场装置提供均匀磁场，磁场方向沿着电子束运动方向，环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅和环形金属收集极处在均匀磁场中；圆柱光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的环形槽，周期为p，槽宽为a，外径和内径分别为R₁和R₂，周期数为Q；金属圆柱的长度为L，外径为R₁，与圆柱光栅的外径相同；螺旋光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为p，槽宽为a，与圆柱光栅的周期和槽宽一致，外径与圆柱光栅的外径相同为R₁，圆柱光栅的内径为R₃，周期数为N；