可动态调谐辐射参数的辐射源及辐射参数调谐方法

摘要

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

说明书

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。

各项辐射参数中，对于谐振结构，线宽取决于总电磁能量与一个周期内损耗能量的比值。对于现有技术中采用介质的光栅结构，其损耗主要在于辐射损耗，辐射损耗需要通过机械加工改变光栅结构进行调节，因此辐射损耗不便于控制。本技术方案中，光栅结构采用石墨烯条带，其损耗主要在于石墨烯中的电磁损耗。石墨烯的等效介电常数由其表面电导率决定，而电导率又与化学势的大小相关，这使得石墨烯的等效介电常数在低化学势和高化学势之间有强烈的变化，从而导致石墨烯引入的电磁损耗不同，故可以通过电极阵列向各石墨烯条带施加不同的偏压以调节石墨烯中的电磁损耗，进而实现在辐射频率不变的前提下，实时动态调谐辐射源的线宽的目的。进一步地，线宽的变化会影响光子产率、辐射增强、辐射功率密度等，因此通过调谐线宽还能够进一步调谐光子产率等辐射参数。

此外，通过电极阵列施加于各石墨烯条带上的偏压，还能够调谐光栅周期。例如，当所有石墨烯条带上的偏压一致时光栅周期为L；相邻的两条石墨烯条带的偏压不同时光栅周期为2L；相邻两条石墨烯条带偏压相同，次相邻的石墨烯条带偏压不同时，光栅周期为3L，相邻三条石墨烯条带的偏压相同，再次相邻的石墨烯条带偏压不同时，光栅周期为4L；以此类推，即可实现在辐射频率不变的前提下，光栅周期由L至n*L范围的调谐。进一步地，辐射频率不变时，当光栅周期产生变化，辐射方向、辐射谐波次数也将发生变化。辐射方向的变化不是连续的，而是离散的。当周期比较大时，可由不同的谐波辐射出，形成多波束辐射。故可通过调节石墨烯条带所加偏压实现对光栅周期、辐射方向及辐射谐波次数的调控。

不仅如此，本技术方案采用石墨烯超表面结构后，辐射谱线线宽变窄，远小于一般相干S-P辐射。例如，由SPPs转化的相干辐射，其线宽相比于辐射频率大概为10％，也即0.1倍，线宽较大且很难再降低；采用石墨烯超表面结构后，例如，在占空比为0.01时，线宽相比于辐射频率，能够实现1×10

本技术方案采用石墨烯条带构成的超表面结构，将波导模式而非SPPs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，该结构使得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

作为本发明的石墨烯条带的一种优选实施方式，所述辐射源的占空比为0.01～0.8，所述占空比

进一步地，所述电极阵列包括若干电极，所述电极与石墨烯条带一一对应，并用于调节对应的石墨烯条带的偏压。电极阵列中包括多个间距设置的电极，电极与石墨烯条带一一对应以实现各石墨烯条带偏压的独立调节。

进一步地，所述石墨烯条带的厚度为0.00034～0.002μm，所述波导的厚度为0.1～0.5μm。所述石墨烯条带可以是单层石墨烯，例如0.00034μm或0.0005μm，单层石墨烯有利于调谐至更小的线宽，所述石墨烯条带也可以是多层石墨烯，例如0.00068μm或0.002μm，多层石墨烯的辐射效率更高，辐射系数更大，但线宽会相对单层更大。优选地，所述石墨烯条带的厚度为0.00034～0.0005μm。优选地，所述波导的厚度为0.1～0.3μm，进一步优选地，所述波导的厚度为0.2μm。

进一步地，所述辐射参数包括线宽、光栅周期、辐射方向、辐射谐波次数、光子产率、辐射增强、辐射功率密度中的至少一种。

进一步地，所述线宽的调谐范围为辐射频率的1×10

基于前述任一种辐射源，本发明还提供一种辐射源的辐射参数的动态调谐方法，所述方法包括以下步骤：

电子注依次经过各石墨烯条带；

电子注从波导的输入端口进入，在向输出端口移动的过程中依次经过各石墨烯条带和间隙构成的波导石墨烯超表面结构，电子注激发波导产生波导模式并将波导模式辐射至空间中与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次空间谐波发生共振，0次谐波能量再传递到各空间谐波，满足辐射条件的空间谐波转化为辐射场。

调节电极阵列施加于各石墨烯条带上的偏压以在电子注速度不变的情况下动态调谐辐射源的辐射参数。

在产生相干辐射的过程中，通过调节电极阵列中各电极以调节石墨烯条带上的偏压，使得相邻两条石墨烯条带上的偏压相同或者不同，进而实现辐射源的辐射参数的动态调谐。

具体地，本发明所提供的辐射源采用石墨烯条带构成的光栅结构，其损耗主要在于石墨烯的电磁损耗。通过改变石墨烯条带的偏压来改变石墨烯条带的化学势，从而能够实现动态调节石墨烯的电磁损耗，进而动态调谐线宽。此外，线宽可以在辐射频率的1×10

进一步地，调节石墨烯条带的偏压，使得全部或部分石墨烯条带的偏压一致，以调谐光栅周期。当所有石墨烯条带上的偏压一致时，光栅周期为L，相邻的两条石墨烯条带的偏压不同时光栅周期为2L；相邻两条石墨烯条带偏压相同，次相邻的石墨烯条带偏压不同时，光栅周期为3L，相邻三条石墨烯条带的偏压相同，再次相邻的石墨烯条带偏压不同时，光栅周期为4L；以此类推，即可实现在辐射频率不变的前提下，光栅周期由L至n*L范围的调谐，所述n为一个周期内的石墨烯条带数量，即周期调谐所实现的倍数。

进一步地，辐射参数的调谐温度为4.3～300K。发明人通过实验发现，温度越低时，线宽从小变大所需调节的化学势范围越小，即调谐效率更高。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、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；

2、本发明使得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

3、本发明通过将占空比设置为0.01～0.8，既能使线宽调谐范围具有较宽的动态调谐范围，且线宽足够窄，同时降低石墨烯条带的加工难度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例中辐射源的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中占空比为0.8时辐射场线宽与石墨烯化学势的关系曲线。其中a点的化学势为μ

图3为图2中a点和b点的辐射频谱图；

图4为本发明具体实施例中不同占空比下辐射场线宽与石墨烯化学势的关系曲线；

图5为本发明具体实施例中光栅周期为1μm，2μm，3μm，4μm时所产生的辐射方向和谐波阶次；

图6为本发明具体实施例中不同温度下石墨烯介电常数的虚部与化学势的关系曲线图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-波导，2-石墨烯条带，3-介质基底，4-电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。

实施例1：

如图1所示的可动态调谐辐射参数的辐射源，包括介质基底3，所述介质基底3上设置有波导1和电极阵列，所述波导1上设置有若干石墨烯条带2，相邻的两条石墨烯条带2之间设置有间隙，所述电极阵列用于调节各石墨烯条带2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；所述辐射源的占空比为0.01～0.8，所述占空比

在部分实施例中，所述石墨烯条带2的厚度为0.00034～0.002μm，所述波导1的厚度为0.1～0.5μm。在一个或多个实施例中，所述石墨烯条带为单层石墨烯，石墨烯条带的厚度为0.00034或0.0005μm；在一个或多个实施例中，所述石墨烯条带为多层石墨烯，石墨烯条带的厚度为0.00068或0.002μm。优选地，石墨烯条带的厚度为0.0005μm。优选地，所述波导的厚度为0.1～0.3μm，进一步优选地，所述波导的厚度为0.2μm。

在部分实施例中，所述辐射参数包括线宽、光栅周期、辐射方向、辐射谐波次数、光子产率、辐射增强、辐射功率密度中的至少一种。优选地，所述辐射参数包括线宽、光栅周期、辐射方向、辐射谐波次数、光子产率、辐射增强和辐射功率密度。

在部分实施例中，所述线宽的调谐范围为辐射频率的1×10

本实施例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。

实施例2：

在实施例1的基础上，一种辐射源的辐射参数的动态调谐方法，采用前述任一种所述的辐射源，所述方法包括以下步骤：

电子注依次经过各石墨烯条带2；

调节电极阵列施加于各石墨烯条带2上的偏压以在电子注速度不变的情况下动态调谐辐射源的辐射参数。

对于线宽的动态调谐，线宽取决于总的电磁能量与一个周期内损耗能量的比值，本实施例中，采用石墨烯条带作为光栅时，其损耗主要在于电磁损耗。石墨烯的等效介电常数由其表面电导率决定，而电导率又与化学势的大小相关，这使得石墨烯的等效介电常数在低化学势和高化学势之间有强烈的变化，从而导致石墨烯引入的电磁损耗不一样。故可以通过调节石墨烯条带的偏压以改变石墨烯条带的化学势，从而调节石墨烯条带的电磁损耗，实现动态调谐线宽的目的。

图2示出了占空比为0.8时，辐射场线宽与石墨烯化学势的关系曲线，其中，图中的a点的化学势为μ

由此可见，本实施例可以实现线宽在宽范围上的调谐，且最低能够窄至辐射频率的1×10

通过调节石墨烯条带所加偏压还可以调节光栅的周期。当所有偏压一致时，例如V

图6是占空比(duty ratio)为0.1时，不同温度下石墨烯介电常数的虚部(纵坐标)与化学势(横坐标)的关系曲线图，如图所示，温度越低时，曲线斜率越大，其线宽从小变大所需调节的化学势范围越小，即调谐效率更高，故辐射参数的调谐温度优选为4.3～300K。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。