一种基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源

摘要

本发明涉及一种基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源。包括两组参数完全一致的电子枪、金属矩形光栅和收集极；两只电子枪分别与两只收集极相对应，一根金属矩形光栅位于一侧的电子枪和收集极之间，另一根金属矩形光栅位于另一侧的电子枪和收集极之间，两根金属矩形光栅呈对称状；两根金属矩形光栅组成一个变异的开放谐振腔。电子枪产生的匀速带状的电子注掠过金属矩形光栅的表面，最后进入收集极；两个电子注分别在金属矩形光栅表面产生两个沿垂直方向的特异Smith‑Purcell辐射波，两个特异Smith‑Purcell辐射波在两根金属矩形光栅之间来回反射形成开放谐振腔中的谐振模式，并转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过端口输出。

说明书

技术领域

本发明属于真空电子学领域，涉及一种基于利用两个电子注分别激励两个光栅产生特异Smith-Purcell辐射的太赫兹自由电子激光的激光源。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz之间的电磁波，是电磁波谱中迄今唯一尚未被完全开发的波段。因其在生命科学，材料科学，通信技术以及国家安全等多个领域具有广阔的应用前景受到国内外科学家的普遍关注，太赫兹科学与技术作为一门新兴的学科正在逐步成型。太赫兹源的发展是太赫兹科学技术发展的基础，也是当前制约太赫兹科学技术发展的主要瓶颈。

现有工作频率在1THz附近的太赫兹源要么功率效率极低（如倍频实现的固态太赫兹源），要么加工极其困难（如传统真空电子学源），要么设备及其复杂、成本极高（包括基于光学差频的太赫兹源、基于波荡器的自由电子激光、以及回旋管等）。基于带电粒子在周期表面结构产生的Smith-Purcell辐射的奥罗管（Orotron，全称：基于开放谐振腔的Smith-Purcell自由电子激光）是有望发展成为1THz频段的重要辐射源。

传统奥罗管的工作原理如下：它通过利用一个金属光栅和一个凹面金属反射镜构成一个开放的谐振腔，当电子注掠过金属光栅表面产生Smith-Purcell辐射，辐射场在金属光栅上边的各个方向，且每个方向的辐射频率不同。凹面反射镜放置在光栅正上方，它将垂直方向辐射的波反射回来与电子注相互作用，吸收电子注的动能而被放大。辐射场在金属光栅和反射镜之间来回反射形成开放谐振腔中的特定谐振模式，这些谐振模持续地与电子注相互作用持续地被放大。

传统奥罗管基于电子注的非相干Smith-Purcell辐射，要将开放谐振腔中的驻波场激励并放大，需要电子注具有极高的电流密度，给阴极的发射能力和电子注的聚束带来极大挑战。同时，传统奥罗管在太赫兹频段（尤其当频率接近并超过1THz时）的辐射功率极低，通常低于1毫瓦，远不能满足实际应用的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种新型的基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源，即一种新型的奥罗管，克服传统奥罗管存在的低功率、高起振电流密度的缺陷。

一种基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源，包括两组参数完全一致的电子枪、金属矩形光栅和收集极；两只电子枪分别与两只收集极相对应，一根金属矩形光栅位于一侧的电子枪和收集极之间，另一根金属矩形光栅位于另一侧的电子枪和收集极之间，两根金属矩形光栅呈对称状；两根金属矩形光栅组成一个变异的开放谐振腔；电子枪产生的匀速带状的电子注掠过金属矩形光栅的表面，该匀速带状的电子注最后进入收集极；两个匀速带状的电子注分别在金属矩形光栅表面产生两个沿垂直方向的特异Smith-Purcell辐射波，这两个特异Smith-Purcell辐射波的方向相反且对称，两个特异Smith-Purcell辐射波在两根金属矩形光栅之间来回反射形成开放谐振腔中的谐振模式，这些谐振模式持续地与匀速带状电子注相互作用，匀速带状电子注能量转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过端口输出；

所述太赫兹自由电子激光源按照基模或者二次模这两个模式工作。

进一步限定的技术条件如下：

所述基模的辐射频率为0.1太赫兹～0.5太赫兹。

所述二次模的辐射频率为0.3太赫兹～1.5太赫兹。

所述金属矩形光栅的周期为0.9毫米～1.2毫米，光栅梳齿间缝隙宽度为0.01毫米～0.02毫米，光栅梳齿深度为0.15毫米～0.25毫米，两根金属矩形光栅之间的距离为1.2毫米～2.6毫米。

所述电子枪产生的电子注的横截面尺寸为1mm*0.1mm，电子注的加速电压低于10千伏，起振电流密度低于50安培每平方厘米。

所述的特异Smith-Purcell辐射是由匀速带电粒子与光栅的辐射波相互作用而产生的是相干辐射，其辐射频率为0.1太赫兹～1.5太赫兹，辐射方向与光栅表面的夹角为89度～91度。

所述的特异Smith-Purcell辐射原理上是由光栅的矩形槽中的谐振模式在匀速带电粒子的激发下依次产生的辐射，光栅中的每个矩形槽是一个开放的谐振腔，也即是一个辐射单元，整个光栅构成一系列开放谐振腔形成的阵列。

所述的特异Smith-Purcell辐射的辐射频率是由矩形槽的结构参数决定，该频率就是开放谐振腔的谐振频率，所述谐振频率为0.1太赫兹～1.5太赫兹。

本发明区别于传统奥罗管太赫兹源的关键是：本发明利用了两个电子注分别在两个金属光栅表面产生的相互对称的特异Smith-Purcell辐射，而传统奥罗管利用的是一个电子注在一个光栅表面产生的普通Smith-Purcell辐射。特异Smith-Purcell辐射与普通Smith-Purcell辐射的核心区别在于：对于普通Smith-Purcell辐射，电子注主要激励起光栅表面的慢电磁波并与之相互作用，激发的辐射波是非相干的，辐射波发散到光栅上半空间的各个方向，且每个方向的辐射频率不同；而对于特异Smith-Purcell辐射，电子注只能激励起辐射波并与之相互作用，产生的是相干辐射，其辐射频率与方向是确定的。特异Smith-Purcell辐射的辐射强度比普通Smith-Purcell辐射强度高近一个数量级。本发明通过调节电子注能量和光栅结构尺寸，使得特异Smith-Purcell辐射在垂直方向。这样电磁波就可以在的两个光栅之间来回振荡并被多次放大。同时，本发明利用两个电子注的辐射场，辐射波的功率进一步提高，辐射功率比传统奥罗管的功率高两到三个数量级。

本发明的有益技术效果还体现在以下方面：

1. 起振电流密度低

利用这种方法可以使起振电流密度显著降低从传统的几百安培每平方厘米降低到50安培每平方厘米以下。粒子模拟结果表明，利用电流密度小于50安培每平方厘米的电子注就可以激发频率超过1THz的电磁辐射。

2. 辐射功率高

该发明在0.96THz频率的平均辐射功率超过2.5W，在1.36THz的平均输出功率超过1W，远远超过工作在该频段的大多数现有电磁辐射源。

3. 可多模工作

通过调节两根光栅之间的距离，该发明可以可控地工作在最低模或者二次模式。

4. 结构紧凑且易实现

该发明结构简单，要求的工作电压低（低于10千伏），不需要庞大的外部附加设备，极易实现小型化和集成。

附图说明

图1 本发明的太赫兹辐射源的二维剖视图；

图2 仿真得到0.96THz的辐射场图和频谱；

图3 仿真得到0.96THz的辐射功率时域图；

图4 仿真得到1.36THz的辐射场图和频谱；

图5 仿真得到1.36THz的辐射功率时域图。

图1中序号：电子枪1、电子注2、金属矩形光栅3、收集极4、特异Smith-Purcell辐射5。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图1，一种基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源包括两组参数完全一致的电子枪1、金属矩形光栅3和收集极4。两只电子枪1分别与两只收集极4相对应，一根金属矩形光栅3位于一侧的电子枪1和收集极4之间，另一根金属矩形光栅3位于另一侧的电子枪1和收集极4之间，两根金属矩形光栅3呈对称状；两根金属矩形光栅3组成一个变异的开放谐振腔。

本实施例太赫兹自由电子激光源工作在基模，辐射频率为0.32THz，辐射功率为10W。

本实施例太赫兹自由电子激光源的工作参数如下：光栅周期0.13mm，光栅梳齿间缝隙宽度0.013mm，光栅梳齿深度0.215mm，两个光栅之间的距离为1.8mm；电子注横截面尺寸为1mm*0.1mm，电子注加速电压（即工作电压）为5千伏，电流密度50安培每平方厘米。

本发明的工作原理说明如下：

电子枪1产生的匀速带状的电子注2掠过金属矩形光栅3的表面，经匀速带状的电子注最后进入收集极4；两个匀速带状的电子注分别在金属矩形光栅表面产生两个沿垂直方向的特异Smith-Purcell辐射波5，这两个特异Smith-Purcell辐射波5的方向相反且对称，两个特异Smith-Purcell辐射波在两根金属矩形光栅3之间来回反射形成开放谐振腔中的谐振模式，这些谐振模式持续地与匀速带状电子注相互作用，匀速带状电子注能量转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过端口输出。

实施例2

基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源的结构同实施例1。

本实施例太赫兹自由电子激光源工作在二次模式，辐射频率为0.96THz。

本实施例的具体实施参数和仿真结果如下：光栅周期0.13mm，光栅梳齿间缝隙宽度0.013mm，光栅梳齿深度0.215mm，两个光栅之间的距离为2.2mm；电子注横截面尺寸为1mm*0.1mm，电子注加速电压（即工作电压）为5千伏，电流密度50安培每平方厘米。图2为仿真得到的辐射场时域图和频谱，此时，图3为仿真得到的辐射功率时域图，可以看到平均辐射功率约2.5W。

实施例3

基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源的结构同实施例1。

本实施例太赫兹自由电子激光源工作在二次模式，辐射频率为1.36THz。

本实施例的具体实施参数和仿真结果如下：光栅周期0.1mm，光栅梳齿间缝隙宽度0.01mm，光栅梳齿深度0.15mm，两个光栅之间的距离为1.8mm；电子注横截面尺寸为1mm*0.1mm，电子注加速电压（即工作电压）为6千伏，电流密度30安培每平方厘米。图4为仿真得到的辐射场图和频谱，图5为仿真得到的辐射功率时域图，可以看到平均辐射功率约1W。