[发明专利]一种人工局域表面等离激元回旋电子激射器及其实现方法

权利要求书

1.一种人工局域表面等离激元回旋电子激射器，其特征在于，所述人工局域表面等离激元回旋电子激射器包括：电子发射装置、电子-波互作用结构、电子回收装置和外加磁场；其中，电子-波互作用结构为平面圆光栅；平面圆光栅在径向具有较高的等效介电常数，等效为一种慢波媒质，降低电磁波速至远低于光速；平面圆光栅的厚度＜＜R，因此只考虑平面结构，不考虑轴向模式数和纵向的色散，或认为人工局域表面等离激元沿轴向均匀分布；在平面圆光栅的内壁边缘即通孔的边缘设置电子发射装置；外加磁场的方向垂直于平面圆光栅；

人工局域表面等离激元是存在于平面圆光栅上的本征模式；求解人工局域表面等离激元的本征方程，得到对应不同本征模式的谐振频率，通过计算得到平面圆光栅上人工局域表面等离激元TE_n,1模式的谐振频率；每种模式都存在极化简并现象，极化简并的两种模式相差90°，叠加后形成旋转的模式；人工局域表面等离激元TE_n,1模式的谐振频率为平面圆光栅上任意一点电磁场变化的频率，人工局域表面等离激元TE_n,1模式的旋转频率为模式上任意相位沿角向旋转一周的频率，人工局域表面等离激元TE_n,1模式的谐振频率是人工局域表面等离激元TE_n,1模式的旋转频率的n倍；

电子发射装置沿着平面圆光栅的内壁的切向方向发射回旋电子，回旋电子包括回旋电荷或者回旋直流电子；外加磁场为B，回旋电子的运动速度为v，回旋电子的相对论因子为γ，回旋电子的质量为m，人工局域表面等离激元TE_n,1模式的频率为ω，回旋电子的带电量为q；回旋电子受到外加磁场的洛伦兹力作为向心力，会沿着平面圆光栅的内壁进行大回旋运动，即进行中心位于平面圆光栅的中心的圆周运动；人工局域表面等离激元产生的电场的不同相位对回旋电子进行加速和减速，称为加速场和减速场，回旋电荷在加速场中吸收能量减速场中释放能量；

电子发射装置发射回旋电荷；位于回旋电荷失去同步时所处的半径处设置电子回收装置；确定回旋电子的运动速度设定外加磁场做回旋运动的回旋电荷的线速度大于平面圆光栅中的光速，回旋电荷在平面圆光栅的表面产生切伦科夫辐射，切伦科夫辐射包含人工局域表面等离激元模式的频率；当人工局域表面等离激元TE_n,1模式的谐振频率是回旋电荷旋转频率的n倍时，回旋电荷能够在平面圆光栅上放大人工局域表面等离激元TE_n,1模式；回旋电荷在切线方向上能够与人工局域表面等离激元TE_n,1模式实现相位同步，产生能量交换，放大人工局域表面等离激元TE_n,1模式的强度；根据圆周运动力的平衡方程mv/r_e＝mω_e＝Bq，ω_e为回旋电子的回旋频率；回旋电荷将能量转移到人工局域表面等离激元TE_n,1模式，失去能量，回旋电荷的速度v会下降，与此同时回旋电荷的回旋半径r_e也会减小，回旋电荷的角速度ω_e基本保持不变；考虑到弱相对论效应，回旋电荷质量会改变，单回旋电荷仍然会和人工局域表面等离激元TE_n,1模式同步多圈，才进入到加速场，同步距离比自由电子激发水平的平面圆光栅上人工表面等离激元更长，能量转化效率明显提高；位于回旋电荷失去同步时所处的半径处的电子收集装置将回旋电荷收集；回旋电荷激发并放大了在平面圆光栅表面的人工局域表面等离激元TE_n,1模式；

电子发射装置发射回旋直流电子，在电子发射装置的背面设置电子回收装置，回旋直流电子的占空比为100％，电流强度一直保持不变；确定回旋电子的运动速度设定外加磁场为避免空间电荷效应，回旋直流电子旋转一圈即被电子回收装置回收；当人工局域表面等离激元TE_n,1模式的谐振频率是回旋直流电子旋转频率的(n-1)倍时，回旋直流电子能够激发出人工局域表面等离激元TE_n,1模式；回旋直流电子回旋一周被电子回收装置回收时，人工局域表面等离激元TE_n,1模式只回旋了(n-1)/n圈，比电子少回旋了1/n圈；回旋直流电子超越人工局域表面等离激元TE_n,1模式一个周期，从回旋直流电子的角度看，旋转一周回旋直流电子所处位置的电磁场变化2π相位，经过加速场和减速场各一次；由于径向上的电场力，使得回旋直流电子在进入减速场前靠近平面圆光栅，进入加速长前远离平面圆光栅；根据电场空间分布，越靠近平面圆光栅表面，电场强度越强；回旋直流电子回旋一周在减速场中释放的能量大于在加速场中吸收的能量；回旋直流电子中的处于不同相位的每一个电子都会净释放能量，因此人工局域表面等离激元TE_n,1模式会不断放大；回旋直流电子激发并放大了在平面圆光栅表面的人工局域表面等离激元TE_n,1模式；所述平面圆光栅的材料为理想电导体；在理想电导体的中心开设半径为r的通孔；在通孔的周围沿着圆周径向开设深度为h的周期性的扇形凹槽，h＝R-r，形成内开的平面圆光栅；平面圆光栅的内半径即通孔的半径为r，外半径为R，光栅常数为d，光栅宽度为a，光栅占空比为a/d，光栅数量为N，满足数量关系Nd＝2πr；根据英国帝国理工大学彭德里教授的近似条件，光栅常数满足亚波长限制d＜＜λ₀，λ₀为人工局域表面等离激元模式的等效波长。