基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源

摘要

本发明公开了一种基于Smith‑Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源，所述活动平面与所述超表面平行设置且位于所述超表面的上方，所述电子束设置所述活动平面上，沿X方向匀速移动，通过所述电子束在匀速经过所述结构单元周期排列的超表面上方时的相互作用，在所述超表面上半空间产生反射场，能量交换的过程中产生辐射波，通过调节所述电子束速度，即电压或者电子束能量得到频率确定，辐射方向在一定角度内可以调节的太赫兹辐射波。解决了现有技术中Smith‑Purcell辐射在不改变结构参数的情况下，很难实现辐射波方向可调性的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及真空电子学技术领域，尤其涉及一种基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外光之间，是电磁波谱中迄今唯一尚未被完全开发的波段。由于太赫兹波在电磁波谱中所处位置的特殊性，太赫兹波也因此具有了很多独特的性质：太赫兹光谱分析在对凝聚态材料中的物理过程起很大帮助；太赫兹射线所具有的光子能量相较于其他射线是比较低的，所以太赫兹射线对生物体细胞的影响比较小，所以用太赫兹射线对人体或者其他生物进行检查无疑是更受欢迎的；根据太赫兹波自身的高频特性，也可以用来抑制背景辐射噪声带来的干扰。因此，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。

目前世界上关于太赫兹源的研究主要分为以下几种：超快激光技术，激光光学技术，真空电子技术。而作为真空电子技术中比较特殊的Smith-Purcell效应采用发射极发射连续电子注，经过周期结构的表面并激发该慢波结构产生一定频率的表面波，表面波随后又与电子注相互作用使其发生群聚，在这过程中，由慢波与电子注相互作用所引起的能量交换就会使太赫兹波辐射出来。传统的Smith-Purcell辐射是非相干的，辐射强度和辐射效率都比较低，而且辐射方向包含了结构上半空间的所有方向，进一步的研究表明，超辐射能够产生固定方向的太赫兹辐射波，但是这种单方向的辐射如果需要调整辐射方向就需要改变这个结构的方向，很难实现方向的可调性，极大地限制了太赫兹辐射源的发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源，旨在解决现有技术中的Smith-Purcell辐射在不改变结构参数的情况下，很难实现辐射波方向可调性的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的一种基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源，包括超表面、活动平面和电子束，所述活动平面与所述超表面平行设置且位于所述超表面的上方，所述电子束设置所述活动平面上，沿X方向匀速移动；

所述超表面由若干组结构单元组成，所述结构单元沿X方向和Y方向周期性排布，所述结构单元沿X方向和Y方向的排布周期相等且为固定数值。

其中，所述结构单元内设置有三条缝隙，所述缝隙沿Y方向平行设置，两组所述缝隙间的中心距d等于100um，所述缝隙的宽度w的范围值为2um～300um，高度h的范围值为15um～950um。

其中，所述结构单元沿X方向和Y方向的排布周期参数p的范围值为30um～1000um，所述结构单元是导电体。

其中，所述活动平面与所述超表面的距离z

其中，所述排布周期参数p为500um，所述缝隙的宽度w为60um，高度h为300um。

本发明的基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源，通过所述电子束在匀速经过所述结构单元周期排列的超表面上方时的相互作用，在所述超表面上半空间产生反射场，能量交换的过程中产生辐射波，通过调节所述电子束速度，即电压或者电子束能量得到频率确定，辐射方向在一定角度内可以调节的太赫兹辐射波。解决了现有技术中Smith-Purcell辐射在不改变结构参数的情况下，很难实现辐射波方向可调性的问题。本发明的结构紧凑容易实现，结构尺寸符合现有的工艺标准要求，能够实现小型化与集成化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源的原理示意图。

图2是本发明的结构单元的结构示意图。

图3是本发明仿真计算得到的透射反射谱。

图4是本发明仿真计算的辐射方向与理论公式计算的辐射方向曲线拟合图。

1-超表面、11-结构单元、12-缝隙、2-活动平面、3-电子束、4-辐射波。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图4，本发明提供了一种基于Smith-Purcell效应的压控方向可调太赫兹辐射源，包括超表面1、活动平面2和电子束3，所述活动平面2与所述超表面1平行设置且位于所述超表面1的上方，所述电子束3设置所述活动平面2上，沿X方向匀速移动；

所述超表面1由若干组结构单元11组成，所述结构单元11沿X方向和Y方向周期性排布，所述结构单元11沿X方向和Y方向的排布周期相等且为固定数值。

所述结构单元11内设置有三条缝隙12，所述缝隙12沿Y方向平行设置，两组所述缝隙12间的中心距d等于100um，所述缝隙12的宽度w的范围值为2um～300um，高度h的范围值为15um～950um。

所述结构单元11沿X方向和Y方向的排布周期参数p的范围值为30um～1000um，所述结构单元11是导电体。

所述活动平面2与所述超表面1的距离z

所述排布周期参数p为500um，所述缝隙的宽度w为60um，高度h为300um。

在本实施方式中，所述超表面1在X方向和Y方向具有周期性，距离超表面1上方z

其中H

在这个过程中的能量交换就会向上半空间产生Smith-Purcell辐射，所述Smith-Purcell辐射是由匀速带电粒子和超表面1的的波注相互作用产生的辐射，辐射频率是固定的，但是辐射方向是可以通过所述电子束3速度的大小进行调控的。

进一步地，所述Smith-Purcell辐射的辐射频率与所述超表面1的结构参数有关，尤其是与三条所述缝隙12的参数有关，超表面结构具有谐振频率随着周期在一定范围内变化基本不会变化的特性，根据这一特性建立起结构周期、电子束速度、结构谐振频率之间的关系，能够在电子束速度在一定范围内变化保证谐振频率不变即辐射波的频率不变，结合Floquet边界条件可以产生辐射波频率为0.44THz的辐射波，并且辐射波的方向可以通过电子束速度来进行调节。

进一步地，辐射波4空间波矢满足关系如公式2所示：

其中k

通过引入电矢量

进一步地，所述Smith-Purcell辐射的辐射波频率公式3如下所示：

其中，θ为辐射方向和电子束3运动方向的夹角，f为辐射波4频率，v

由于所述超表面1的结构X方向和Y方向具有周期性，因此可以截取其中的一个所述结构单元11并结合上述的Floquet周期边界条件进行仿真，仿真中采用表面电流密度近似模拟所述电子束3，远场区域采用完美匹配层进行吸波，防止反射波对结构的辐射特性的影响。

优选的，在指定范围内对所述超表面1的结构进行几何参数调整，不会影响辐射特性。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。