[发明专利]一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统

说明书

本发明公开了一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，包括电子枪、介质光栅、介质平板波导和收集极。该辐射通过电子枪产生连续电子束，电子束紧贴介质光栅上方掠过时激励起介质光栅内部的谐振模式，进而反作用于连续电子束，使其群聚为电子团串，又进一步增强介质光栅的谐振模式的场强，从而导致相干振荡。谐振能量通过两个介质平板波导耦合输出。本发明利用连续电子束激励介质光栅内部产生相干振荡，具有易集成、可扩展和低成本等特点。

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，更具体的说，涉及一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统。

背景技术

太赫兹波通常是指频率为0.1-10太赫兹的电磁波，在电磁频谱中的位置位于微波和红外之间，因其在电磁频谱中的特殊位置在信息和通信，材料科学研究，生物医学和军事应用等领域具有广阔的应用前景。针对太赫兹波在研究和工业领域的应用，科学家们对太赫兹辐射源开展了广泛研究。目前研究中面临的主要问题是缺少可靠的太赫兹辐射源，限制了太赫兹波的实际应用。

目前，国际上开发的THz源主要包括光子学辐射源、固态器件、真空电子器件等。基于切伦科夫、史密斯-帕赛尔等效应的真空电子器件具有高功率、高效率、可室温工作等优点，是极具发展前景的THz源。这类器件一般采用金属周期结构作为慢波系统。然而，由于尺寸共渡效应，太赫兹频段的真空电子器件慢波结构尺寸较小，加工比较困难，限制了真空电子器件的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统。该系统通过连续电子束与介质光栅的相互作用产生相干辐射，可获得较高的辐射强度与辐射效率，易于实现高密度硅基片上集成，并且利用介质光栅与介质平板波导之间的耦合，直接将谐振能量通过介质波导输出。

本发明的一种基于介质波导耦合的介质光栅的自由电子激光系统，包括电子枪、介质光栅、介质平板波导和收集极，所述的介质平板波导包括第一介质平板波导和第二介质平板波导；第一介质平板波导和第二介质平板波导结构相同。

所述电子枪与收集极相对设置，位于同一水平面上，第一介质平板波导、介质光栅和第二介质平板波导依次设置在电子枪与收集极之间，第一介质平板波导、介质光栅第二介质平板波导位于同一水平面内，且高度相同，介质光栅表面紧贴电子枪产生的连续电子束；

第一介质平板波导和第二介质平板波导为输出端口；

所述电子枪产生连续电子束，电子束紧贴着介质光栅上方掠过，最终进入收集极。连续电子束在介质光栅上方掠过时激励起光栅的谐振模式。该谐振模式的能量被限制在介质光栅内部及其周围，通过第一介质平板波导和第一介质平板波导耦合输出。该谐振模式在介质光栅内部及其周围产生非常强的电磁场反作用于连续电子束，使连续电子束群聚成电子团串，又进一步增强介质光栅的谐振模式的场强，导致相干振荡，从第一介质平板波导和第一介质平板波导中耦合输出更强的辐射能量。

进一步的，所述电子枪用于产生横截面为矩形的连续电子束，电子能量可以按要求设定。

进一步的，所述介质光栅为高对比度介质光栅，包括由高折射率材料构成的周期分布的矩形结构和其周围的低折射率介质。

所述高对比度介质光栅，由于高折射率材料与其周围的低折射率介质所导致的折射率在空间内分布突变，通过合理选择介质光栅参数，所述介质光栅内部模式在输入/输出平面干涉、彼此牢固耦合，使得介质光栅产生的极高品质因子的谐振模式，同时将谐振模式限制在高对比度介质光栅附近及其周围。

进一步的，所述第一介质平板波导和第二介质平板波导均为高对比度平板波导，包括上包层、芯层和下包层，上包层和下包层分别对应设置在芯层的上表面和下表面，芯层为矩形结构，采用高折射率介质材料，上包层和下包层为低折射率介质层，高对比度平板波导可有效地将耦合至介质平板波导的谐振模式限制在波导中及其周围。