[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

说明书

本发明公开了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。本发明由回旋电荷或回旋直流电子注在平面圆光栅上激发并放大人工局域表面等离激元模式；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激发并放大人工局域表面等离激元TE_n,1模式；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；本发明具有同步互作用距离长、体积小、效率高、电子注易于获得、可行性高的优点，解决传统线性注真空电子器件中的电子注输运的问题。

技术领域

本发明涉及真空电子学技术，具体涉及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。

背景技术

平面圆光栅是一种新型的电磁媒质，可承载电磁场的人工局域表面等离激元模式。它能降低金属的等离子体频率ω_p至毫米波、太赫兹频段，使电磁波在上面产生类似于光学频段局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon,LSP)的电磁分布。

目前激发平面圆光栅上人工局域表面等离激元模式的方法主要是耦合法，例如，利用水平光栅将电磁场耦合到平面圆光栅、利用同轴线将电磁场耦合到平面圆光栅，都是无源的方法。

现有利用自由电子激发水平光栅上人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon,SSP)的方法，但有同步互作用距离短、能量转化效率低、结构长度过长的问题。自由电子与人工表面等离激元同步互作用的过程中，如果电子位于减速场，电子将失去能量，并将能量转移到电磁波，电子的速度会下降，与电磁波无法保持同步，逐渐进入加速场，从电磁波中吸收能量，因此，电子仅在有限的、很短的距离向电磁场转移能量，能量转移效率较低，通常不超过1％。电子和电磁波在光栅水平方向保持同步，需要光栅在水平方向上有较长的尺寸，因此器件体积过大。

此外，在水平光栅激发人工表面等离激元通常采用点电荷或占空比为50％的电子注，这样的电子注通常难以获得。研究表明，直流电子注无法在水平光栅上激发人工表面等离激元，所以这种方案的可行性有待商榷。

发明内容

本发明提供一种有源的方法，即利用回旋电子激发平面圆光栅上人工局域表面等离激元，利用回旋电子激发平面圆光栅上产生人工局域表面等离激元解决上述尺寸大、效率低、电子注难以获得的问题，可行性大大提高。

本发明的一个目的在于提出一种人工局域表面等离激元回旋电子激射器。

本发明的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；