一种基于阵列光栅结构的太赫兹功率源高频结构

摘要

一种基于阵列光栅结构的太赫兹功率源高频结构，属于太赫兹真空电子器件领域。所述高频结构由上下反射镜分别为球面镜和柱面镜的准光学谐振腔、阵列金属光栅、柱面镜内的矩形槽和球面镜上的圆形耦合孔组成，系统所用金属材料均为无氧铜。所述阵列金属光栅光栅两端嵌于柱面镜内的矩形槽中，沿x方向和z方向均为周期排列，利用圆柱形电子束进行注-波能量交换。本发明是一种实现太赫兹电磁波信号产生的方法，可以采用圆柱形电子束进行注-波互作用，具有电子效率高、输出功率大的特点，并能有效降低聚焦磁场强度以及器件的阴极发射电流密度。

说明书

所属领域

本发明属于太赫兹真空电子器件领域，具体为一种基于阵列光栅结构的太赫 兹功率源高频结构。

背景技术

由于THz波独特的性质及在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文，尤 其是在卫星通讯和军用雷达、国防安检等领域具有重大的科学价值和广泛的应用 前景，而受到越来越广泛的重视。然而直到目前为止，太赫兹技术的发展和应用 仍很局限，其主要障碍就是其发射和接收装置至今仍然十分笨重而且昂贵。

根据THz辐射产生的机理，可以将其辐射源分为两大类：一类是利用电子学 的方法，另一类是利用光学的方法。不过，其中大多数要么设备复杂、庞大、效 率较低，要么难以室温下运转。如何有效的产生高功率、高能量、高效率，且能 在室温下稳定运转、结构紧凑的THz辐射源，成为THz技术的研究热点。

真空电子器件在THz辐射源方面取得迅速的发展，特别是微加工技术和真 空电子学结合形成的微型真空电子器件，利用微波管分布作用原理，使工作频率 可以达到太赫兹领域。奥罗管是由片状电子束在开放式谐振腔内激发产生电磁场 的绕辐射器件，可用作小型紧凑型太赫兹辐射源，但其效率较低，且较大的起振 电流对阴极提出了很高的要求，同时由于片状电子束的电流密度较大，对聚焦磁 场的要求也很高。

发明内容

本发明提供了一种基于阵列光栅结构的太赫兹功率源高频结构，利用圆柱形 电子束与阵列光栅内部的高频场进行注-波能量交换，适当选取所述阵列金属光 栅和准光学谐振腔所组成的结构的尺寸，即可实现系统高频信号的输出。本发明 提供的高频系统具有电子效率高、输出功率大的特点，并能有效降低聚焦磁场强 度以及器件的阴极发射电流密度。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于阵列光栅结构的太赫兹功率源高频结构，包括准光学谐振腔、阵列 金属光栅，其特征在于：所述的准光学谐振腔的上下反射镜分别为方形球面镜和 方形平凹柱面镜，在z方向上，沿着方形球面镜轴线，所述的方形球面镜上开设 有圆心耦合孔，所述的方形平凹镜内部开设有一大一小上下衔接的两矩形凹槽； 所述的阵列金属光栅周期嵌于较小的矩形凹槽内部，并沿x和z方向周期排列； 电子枪产生的电子束沿x方向阵列金属光栅周期排列方向传输与该高频结构内 的电磁场进行互作用，利用圆柱形电子束与阵列光栅内的电磁场进行注-波能量 交换。

由电子枪产生的圆柱状电子束通过所述阵列金属光栅间的缝隙时，金属光栅 表面会有SP辐射产生。根据SP辐射原理，金属光栅表面激励起的THz电磁波 在圆形输出耦合孔处的波长均相同。

根据电磁模式理论，谐振模式下光栅表面场周期谐波的传播常数为2πn/l， n为谐波次数，l为光栅的周期。选择适当的电子注速度，使之与光栅表面场的 某次空间谐波同步。电子注在场的作用下产生群聚，并将能量交换给谐振腔内的 电磁场，同时电磁场受到准光学谐振腔的谐振作用，建立起稳定的相干振荡。腔 中的电磁场通过球面镜上的圆形耦合孔输出。

所述阵列金属光栅沿电子束传输方向为周期排列，是为了在光栅表面得到传 播常数为2πn/l的周期谐波；所述阵列金属光栅沿球面镜轴线方向为周期排列， 是为了增大注-波互作用区域内电磁场的强度，同时增大电子束与光栅表面电磁 波的互作用区域。采用圆柱状电子束进行电子束-波互作用，是为了增加器件的 互作用效率，降低器件对阴极发射电流密度的要求，同时减小聚焦磁场。

附图说明

图1是本发明提供的高频系统示意图；

其中：1、球面镜；2、柱面镜；3、阵列金属光栅；4、矩形匹配槽；5、矩

形槽；6、圆形输出耦合孔；

图2是所述高频谐振系统在285GHz频率下的场分布图；

图3中：v_p/c为腔模式一次空间谐波沿矩形金属光栅表面传播的速度与光

速之比；λ为空间谐波波长；

图4是所述高频结构注-波互作用区域内电场强度与双光栅绕射辐射器件高 频结构注-波互作用区域内电场强度的对比图；

具体实施方式

本发明提供的一种基于阵列光栅结构的太赫兹功率源高频结构，包括准光学 谐振腔、阵列金属光栅3，所述的准光学谐振腔的上下反射镜分别为方形球面镜 1和方形平凹柱面镜2，在竖直方向上，沿着方形球面镜轴线，所述的方形球面 镜上开设有圆心耦合孔6，所述的方形平凹镜内部开设有一大一小上下衔接的两 矩形凹槽4和5；所述的阵列金属光栅周期嵌于较小的矩形凹槽5内部，并沿竖 直和水平方向周期排列；电子枪产生的电子束在水平方向上沿阵列金属光栅间周 期排列方向传输与该高频结构内的电磁场进行互作用，利用圆柱形电子束与阵列 光栅内的电磁场进行注-波能量交换。

所述阵列金属光栅宽度b为600μm，x方向相邻两片阵列光栅的周期l₁为 130μm，相邻两片阵列光栅的间隔d为65μm，z方向相邻两片阵列光栅的周期l₂为172μm，相邻两片阵列光栅的间隔m为132μm，光栅两端嵌于柱面镜内的矩形 槽5中。矩形槽5的宽度与阵列金属光栅宽度b相同。

矩形槽4的高度h₂为800μm，宽度b₂为1500μm。矩形槽4的主要作用是增 强矩形槽5内部的场强，矩形槽4的高度与宽度的确定原则为该尺寸参数下矩形 槽5内部的电场强度最大。

方形平凹柱面镜2的口径L为5265μm，曲率半径R为90000μm，其表面到 口径与曲率半径均与方形柱面镜2相同的方形球面镜1之间的距离f为893μm。 利用仿真软件CST搭建由上述数结参数确定的结构模型，计算所得的谐振频率 为285GHz，内部场分布如图2所示。

根据切伦科夫同步条件，计算所得结构的腔模式一次空间谐波色散曲线，如 图3所示。由图3可知：速度为0.129倍光速的电子束与SP辐射产生的285GHz 高频信号的腔模式一次空间谐波同步，同时电磁场受到谐振频率为285GHz的准 光学谐振腔的谐振作用，建立起稳定的相干振荡。

所述高频结构内部的电场强度与双光栅高频结构内部电场强度的对比如图4，所 述高频结构腔内电场强度得到了明显增强。该高频结构采用圆柱状电子束进行注 -波互作用，能够提高互作用效率、增大输出功率。在功率输出水平相同的情况 下，该高频结构能够有效减小阴极发射电流密度，提升阴极寿命，并降低对聚焦 磁场强度的要求。