[发明专利]可动态调谐辐射参数的辐射源及辐射参数调谐方法

说明书

本发明公开了可动态调谐辐射参数的辐射源及辐射参数调谐方法，该辐射源包括介质基底，所述介质基底上设置有波导和电极阵列，所述波导上设置有若干石墨烯条带，相邻的两条石墨烯条带之间设置有间隙，所述电极阵列用于调节各石墨烯条带的偏压以在辐射频率不变的情况下动态调谐辐射源的辐射参数。本发明采用石墨烯条带构成的超表面结构，将波导模式辐射至空间中，在形成了光栅结构的基础上实现了在辐射频率不变的条件下，通过改变石墨烯条带上的偏压主动动态调谐线宽、光栅周期等辐射参数；此外，线宽能够在更宽的范围内调谐且最低能够窄至辐射频率的1×10^‑8倍，显著地增强了辐射功率密度。

技术领域

本发明涉及相干辐射源领域，具体涉及一种可动态调谐辐射参数的辐射源，以及动态调谐辐射参数的方法。

背景技术

史密斯-珀塞尔辐射(S-P辐射)是自由电子注通过衍射光栅产生的电磁波，在自由电子光源和粒子加速器中起着重要的作用。

现有的利用S-P辐射的太赫兹辐射源，其结构一般由基底加上周期性介质光栅组成，一般为平行运动的电子注激励表面等离子体激元(SPPs)而产生太赫兹辐射。专利CN110571626A公开了一种平面多电子注激励石墨烯亚波长集成光栅的太赫兹辐射源，其通过在设置光栅结构，并在光栅结构上铺设石墨烯层，使得在周期性介质光栅结构中，电子注激励起相干的表面等离子体激元经光栅衍射转化为辐射场，即产生相干电磁辐射。

目前S-P辐射面临的问题是，虽然可以通过调节电子注速度以动态调谐SPPs转化的相干电磁辐射的频率，但是，在频率不变的情况下，现有的调谐方法只能对波导的结构进行加工来实现，使得线宽、振幅、辐射方向等辐射参数的调谐非常困难，不能实现动态调谐。此外，SPPs转化的相干辐射受限于SPPs的衰减，导致线宽一般较大，辐射功率密度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供可动态调谐辐射参数的辐射源及辐射参数调谐方法，以解决现有技术中在频率不变的情况下，无法动态调谐辐射源的线宽、振幅、辐射方向等辐射参数的问题，实现在频率不变的情况下通过改变石墨烯的偏压以动态调谐辐射源的线宽、光栅周期、辐射方向、辐射谐波次数、光子产率、辐射功率密度等辐射参数的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

可动态调谐辐射参数的辐射源，包括介质基底，所述介质基底上设置有波导和电极阵列，所述波导上设置有若干石墨烯条带，相邻的两条石墨烯条带之间设置有间隙，所述电极阵列用于调节各石墨烯条带的偏压以在辐射频率不变的情况下动态调谐辐射源的辐射参数。

现有技术中，在光栅周期结构上加载连续的石墨烯层的太赫兹辐射源，其辐射机理为运动电子注激发石墨烯表面等离子体激元SPPs，SPPs通过光栅周期结构衍射，转化为辐射场，从而产生需要的相干辐射。

相较于现有技术中采用连续的石墨烯层激发SPPs，本技术方案所采用的机理是利用石墨烯条带超表面自身构成光栅结构，并利用石墨烯主动进行辐射参数的动态调谐。具体地，本技术方案的原理为：运动电子注激发波导产生波导模式，波导模式辐射出去后，波导模式与空间中的衍射辐射场发生共振耦合导致相干辐射，其中耦合过程中波导模式先与0次空间谐由此可见，本技术方案实质是将波导模式，而非SPPs辐射至空间中。

本技术方案中，所述辐射源既可以是红外辐射源，也可以是太赫兹辐射源。优选地，所述辐射源为太赫兹辐射源。介质基底和波导可以采用现有技术中任一种介质基底，优选地，所述介质基底为二氧化硅，进一步优选地，所述二氧化硅的介电常数为2.25。优选地，所述波导采用硅，进一步优选地，所述硅的介电常数为11.9。波导设置于介质基底层上，波导的上表面上铺设有多条等间距或不等间距设置的石墨烯条带，相邻两条石墨烯之间设置有间隙，优选地，所述各间隙宽度相等。铺设于波导表面的石墨烯条带构成石墨烯条带超表面，各石墨烯条带及间隙共同构成设置于波导上的光栅结构。