太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其方法

摘要

本发明公开了一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其方法。本发明采用波导辐射器将不同模式不同频率的高阶电磁波束有效辐射出去，工作在多个波导模式并且每个模式具有高可调谐带宽；准椭圆赋形反射镜对高阶电磁波束进行角向聚焦；双焦抛物面反射镜再对电磁波束进行轴线聚焦后，形成了多模频率可调谐高斯波束，平面反射镜调整波束的方向后经位于高斯波束束腰处的输出窗输出；本发明解决了现有针对频率可调回旋管的准光模式变换装置不能同时工作在多个具有宽频带的模式下的问题，适用于多模频率可调回旋管，能够对回旋管内多个模式的宽频带范围实现高效率的准光模式变换。

说明书

技术领域

本发明涉及真空电子学领域，具体涉及一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其变换方法。

背景技术

基于电子回旋脉塞机理的回旋管能够产生高功率电磁能量，是目前工作在太赫兹频段功率最高的电真空器件，在军事、材料和生物医学等领域有着广泛的应用，如远距离高分辨率雷达、材料处理与改性、生物无损检测、受控热核聚变反应堆加热等应用。传统的回旋管一般工作在固定频点上，难以满足动态核极化核磁共振(DNP-NMR)、等离子体加热抑制磁流体不稳定性等要求，频率可调回旋管的出现使得回旋管拥有更广泛的应用价值。目前，频率可调回旋管大致可以分为三种类型：一种是工作在多个波导模式，且每个模式对应于一个离散单频点的回旋管；第二种频率可调回旋管采用开放腔结构，工作在单个模式，且具有连续可调的约1GHz的带宽；第三种是回旋返波管，工作在返向行波状态，带宽在W波段可以达到10GHz。一种新型的太赫兹多模频率可调回旋管，采用预群聚行波互作用电路，可以工作在多个模式，且每个模式均可实现频率的连续变化，总体带宽可达100GHz。

回旋管通常采用准光模式变换装置将高阶的工作模式转换为可以在自由空间传输的高斯波束。针对频率可调回旋管，现有的准光模式变换技术大致可分为两种。一种可以实现单个模式下的宽频带输出；另一种可以工作在多个模式，但每个模式只能对单个频点实现模式变换。针对上文提到的这种新型的太赫兹多模频率可调回旋管，尚未有可实现多个模式下宽频带准光模式变换的装置。

发明内容

针对目前多模频率可调回旋管对模式变换的需求和现有准光模式变换装置无法实现多模式宽频带工作的不足，本发明提供一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置及其变换方法，解决现有宽频带准光模式变换装置只能工作在单个模式或分立的频点上的问题，从而解决多模频率可调回旋管的模式变换问题。

本发明的一个目的在于提出一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置。

本发明的太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置包括：波导辐射器、准椭圆赋形反射镜、双焦抛物面反射镜、平面反射镜和输出窗；其中，波导辐射器具有螺旋型切口，波导辐射器的轴沿z轴，将来自多模频率可调回旋管的不同模式不同频率的高阶电磁波束辐射出；波导辐射器工作在多个波导模式，且每个波导模式均具有可调谐带宽；波导模式的径向指数相同、角向指数高阶且连续变化，即准光模式变换装置工作在多个TE_mn模式，其中径向指数n相同，角向指数m高阶且连续变化；每个模式的可调谐带宽，在模式指数确定的情况下，满足使从波导辐射器辐射出的波束与z轴的夹角θ_B变化范围小于2°，且不同模式具有接近相同的θ_B变化范围，θ_B的表达式为：准椭圆赋形反射镜在xy平面为准椭圆形，准椭圆赋形反射镜的轴沿z轴，准椭圆赋形反射镜将来自多模频率可调回旋管的不同模式不同频率的高阶电磁波束进行角向聚焦；双焦抛物面反射镜在yz平面和xy平面均为独立的抛物线，且具有不同的焦距，双焦抛物面反射镜将角向聚焦后的波束进行轴向聚焦，从而形成多模频率可调高斯波束；平面反射镜对角向聚焦后和轴向聚焦后的波束进行方向调整；输出窗位于高斯波束的束腰处，输出窗所在的平面与y轴垂直，将聚焦准直的多模频率可调高斯波束输出，其中，χ'_mn为m阶第一类贝塞尔函数的导数的第n个非零根，c为真空中的光速，r_w为波导辐射器的半径，f为工作频率。

波导辐射器为弗拉索夫(Vlasov)型辐射器，具有螺旋型切口，切口长度L_c为所有模式在各个频点处布里渊区的最大轴向长度，切口长度L_c的满足下式：

L_c≥2πr_wcotθ_Bsinθ/θ

其中，r_w为波导辐射器的半径，θ为波导横向上射线传播方向和反射点处切线的夹角。

具有螺旋型切口的波导辐射器，其半径需使该波导辐射器的截止频率远小于可调谐频率范围。

准椭圆赋形反射镜、双焦抛物面反射镜、平面反射镜和输出窗的尺寸足够大，以保证波束被全部反射并输出。

本发明的另一个目的在于提供一种太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换方法。

本发明的太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换方法，包括以下步骤：

1)波导辐射器将来自多模频率可调回旋管的不同模式不同频率的高阶电磁波束辐射出，波导辐射器具有螺旋型切口，波导辐射器的轴沿z轴；

2)波导辐射器工作在多个波导模式，且每个波导模式均具有可调谐带宽，波导模式的径向指数相同、角向指数高阶且连续变化，即准光模式变换装置工作在多个TE_mn模式，其中径向指数n相同，角向指数m高阶且连续变化；每个模式的可调谐带宽，在模式指数确定的情况下，满足使从波导辐射器辐射出的波束与z轴的夹角θ_B变化范围小于2°，且不同模式具有接近相同的θ_B变化范围，θ_B的表达式为：其中，χ'_mn为m阶第一类贝塞尔函数的导数的第n个非零根，c为真空中的光速，r_w为波导辐射器的半径，f为工作频率；

3)准椭圆赋形将来自多模频率可调回旋管的不同模式不同频率的高阶电磁波束进行角向聚焦，准椭圆赋形反射镜在xy平面为准椭圆形，准椭圆赋形反射镜的轴沿z轴；

4)双焦抛物面反射镜将角向聚焦后的波束进行轴向聚焦，从而形成多模频率可调高斯波束，双焦抛物面反射镜在yz平面和xy平面均为独立的抛物线，且具有不同的焦距；

5)平面反射镜将角向聚焦后和轴向聚焦后的波束的传输方向进行调整；

6)输出窗将聚焦准直的多模频率可调高斯波束输出，输出窗位于高斯波束的束腰处，输出窗所在的平面与y轴垂直。

在步骤1)中，所述波导辐射器为弗拉索夫(Vlasov)型辐射器，具有螺旋型切口，切口长度L_c为所有模式在各个频点处布里渊区的最大轴向长度，切口长度L_c的满足下式：

L_c≥2πr_wcotθ_Bsinθ/θ

其中，r_w为波导辐射器的半径，θ为波导横向上射线传播方向和反射点处切线的夹角。

在步骤4)中，双焦抛物面反射镜在yz平面和xy平面均为独立的抛物线，且具有不同的焦距，其表达式为：

其中，F₁和F₂分别为xy平面和yz平面的抛物线的焦距。

本发明的优点：

本发明采用波导辐射器将不同模式不同频率的高阶电磁波束有效辐射出去，工作在多个波导模式并且每个模式具有高可调谐带宽；准椭圆赋形反射镜对高阶电磁波束进行角向聚焦；双焦抛物面反射镜再对电磁波束进行轴线聚焦后，形成了多模频率可调谐高斯波束，平面反射镜调整波束的方向后经位于高斯波束束腰处的输出窗输出；本发明解决了现有针对频率可调回旋管的准光模式变换装置不能同时工作在多个具有宽频带的模式下的问题，适用于多模频率可调回旋管，能够对回旋管内多个模式的宽频带范围实现高效率的准光模式变换。

附图说明

图1为本发明的太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明的太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置的一个实施例的多模式的横截面场形图；

图3为本发明的太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置的一个实施例的多模式在对应的频带范围内不同频点处输出窗的场分布，其中，(a)为TE_11,2模式在相应的不同频点处输出窗的场分布，(b)为TE_12,2模式在相应的不同频点处输出窗的场分布，(c)为TE_13,2模式在相应的不同频点处输出窗的场分布；

图4为本发明的太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置的一个实施例的回旋管内的竞争模式在输出窗处的场分布。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置包括：波导辐射器1、准椭圆赋形反射镜2、双焦抛物面反射镜3、平面反射镜4和输出窗5。

本实例选取的模式为TE_11,2,TE_12,2,TE_13,2，满足径向指数相同，角向指数高阶且连续变化的特点，模式的横截面图如图2所示。

根据选定的模式，确定每个模式的频率范围，使波束与纵轴的夹角θ_B变化范围小于2°，且不同模式具有接近相同的θ_B变化范围。θ_B的表达式为：

其中，χ'_mn为m阶第一类贝塞尔函数的导数的第n个非零根，c为真空中的光速，r_w为圆波导的半径，f为工作频率。通过计算可以选定模式所对应的频率范围分别为：TE_11,2为351～361GHz,TE_12,2为375～385GHz，TE_13,2为398～410GHz。θ_B角的变化范围分别为48.2°～50.1°，48.1°～49.9°，47.9°～49.8°。

选择螺旋型切口弗拉索夫辐射器的半径为3.12mm，该半径值满足使波导辐射器1的截止频率远小于可调谐频率范围。

在模式和对应频率范围确定之后，所有模式在各个频点处布里渊区的轴向长度L_c均可计算求出，螺旋型波导切口弗拉索夫辐射器的切口长度选取最大轴向长度，为15.6mm。

为使波束全部被镜面反射，准椭圆赋形反射镜2、双焦抛物面反射镜3及平面反射镜4均应足够大，经优化计算可得，准椭圆赋形反射镜2的尺寸为46.18×25.41mm，双焦抛物面反射镜3的尺寸为32×30mm，平面反射镜4的尺寸为20×24mm。

准椭圆赋形反射镜2和双焦抛物面反射镜3的形状设计采用了几何光学原理，即经准椭圆赋形反射镜2和双焦抛物面反射镜3反射的高阶电磁波束可以视作一系列射线，并采用几何的方法进行镜面形状的设计，下面详细说明设计的方法。

准椭圆赋形反射镜2在xy平面为准椭圆形，采用射线的等相位原理对标准椭圆曲线方程加以修正，得到不规则的准椭圆面，已达到良好的聚束效果。准椭圆面上的坐标点(x,y)可由以下表达式确定：

其中，R_c为波导辐射器内射线形成的焦散圆的半径，且R_c＝r_wm/χ′_mn；为射线与x轴的夹角；为射线起始点到准椭圆反射镜的光程，其表达式为其中l₁为在y轴方向上坐标原点到准椭圆镜面的垂直距离，l₂为坐标原点到准椭圆焦点的距离。

双焦抛物面反射镜3在yz平面和xy平面均为独立的抛物线，且具有不同的焦距，其表达式为：

其中，F₁和F₂分别为xy平面和yz平面的抛物线的焦距。

输出窗所在的平面与y轴垂直，且位于转换后的高斯波束的束腰处，以弗拉索夫辐射器1的初始辐射中心为坐标原点，输出窗的中心坐标为(0,-88.2,72.0)mm。

根据以上优化计算得到的用于太赫兹多模频率可调回旋管的准光模式变换装置参数，计算得到各个模式在不同频点处的输出窗场形，如图3所示。从图3(a)、(b)和(c)中可以看出，TE_11,2、TE_12,2和TE_13,2模式在相应的不同频点处均可被较好地转换成高斯波束并从输出窗输出。

该用于太赫兹多模频率可调回旋管内可能存在竞争模式，通过计算分析竞争模式在本发明的准光模式变换装置中的场形变化情况，图4画出了竞争模式在输出窗处的场形分布，可以看出，竞争模式TE_9,3、TE_8,3、TE_6,4、TE_4,5、TE_3,5、TE_2,6和TE_1,6不能被转换为高斯模式，且相对输出窗中心具有一定的偏移。因此，考虑在输出窗周围远离工作模式TE_11,2、TE_12,2和TE_13,2模式所形成的高斯波束处增加功率吸收结构，可以抑制竞争模式输出，并防止竞争模式被反射回多模频率可调回旋管内而造成干扰。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。