自由電子激發(fā)周期微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生Smith-Purcell輻射的研究

發(fā)布時間：2020-04-14 09:38

【摘要】：經(jīng)過長期的發(fā)展,電子學(xué)與光子學(xué)在各自領(lǐng)域內(nèi)都取得了飛速進(jìn)步,但隨著近年來人們對輻射源需求的日益增長,僅利用這兩者之一的相關(guān)技術(shù)發(fā)展輻射源遇到了巨大的瓶頸。因此,探尋利用電子學(xué)與光子學(xué)相結(jié)合的研究方向就變得極具意義。在這些方向中,將電子學(xué)與光子學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生電磁輻射就是一個極為重要的研究方向。隨著近年來電子束源和微納加工技術(shù)水平的不斷提升,利用自由電子激勵金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電磁輻射成為可能。在這樣的研究背景下,我們對自由電子激發(fā)金屬微納結(jié)構(gòu)中的表面等離子體激元(SPPs),以及SPPs在光柵周期結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的Smith-Purcell輻射進(jìn)行了深入的研究。在本論文中,我們對電子束平行掠過金屬薄膜的物理過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。論文研究了其激勵起的SPPs兩種模式,對稱模與非對稱模,并通過改變相關(guān)參量發(fā)現(xiàn)金屬薄膜的厚度,電子注的能量,金屬材料對SPPs的影響。在能夠激勵出金屬結(jié)構(gòu)中SPPs的基礎(chǔ)之上,我們希望通過特定的物理機(jī)制,探究SPPs產(chǎn)生電磁輻射及其增強(qiáng)問題。隨后,我們研究了平行電子注掠過PEC光柵的物理過程,通過數(shù)值計算和模擬驗證了理論公式中對Smith-Purcell的輻射性質(zhì)的描述并分析了該過程中產(chǎn)生的表面波和遠(yuǎn)場的Smith-Purcell輻射。通過相關(guān)參數(shù)的改變,探究了平行電子束能量,光柵自身的參量例如光柵周期、光柵深度、光柵占空比等對表面波和遠(yuǎn)場輻射的影響。研究證明,可以通過PEC光柵的周期與激勵的電子束的加速電壓對Smith-Purcell輻射的頻率進(jìn)行調(diào)諧。隨著周期增大,其輻射頻率逐漸減小;電子束的加速電壓增強(qiáng),其頻率相應(yīng)地增大。占空比與光柵深度只對輻射效率有影響。而對于表面波而言,可以通過對PEC光柵自身參量(例如光柵周期P和間隙深度h)和電子束能量的改變對頻率進(jìn)行調(diào)諧。在金屬光柵中,SPPs、Smith-Purcell輻射和表面波可以同時被平行電子束激發(fā)。在本論文中,我們對平行電子注激勵金光柵的物理過程進(jìn)行合理地推理與證明。我們通過前面PEC光柵的研究,了解到在金光柵的激勵過程中發(fā)生了相似的物理過程,材料的改變并沒有改變Smith-Purcell輻射。但與此同時,SPPs隨著電子束能量變化,光柵深度的改變發(fā)生了一系列的變化,SPPs的兩種模式的頻率差異也越來越大。數(shù)值分析和模擬證明,如果金屬光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)和電子束的能量相互匹配,那么就可以得到通過SPPs增強(qiáng)的Smith-Purcell輻射。最后,依照仿真結(jié)果的分析,我們設(shè)計了合適的金光柵,并通過改裝過的SEM和光譜儀進(jìn)行實驗研究。掃描電子顯微鏡提供了一種集束性的電子束,光譜儀用來分析光纖接收到的激勵過程中產(chǎn)生的輻射場,對信號進(jìn)行后期處理獲得相應(yīng)的頻譜圖。我們利用掃描電子顯微鏡產(chǎn)生的聚束電子對以無氧銅作為基底的金光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵,在產(chǎn)生的頻譜圖中發(fā)現(xiàn)了Smith-Purcell輻射的-2~-4次諧波的存在,并通過掃描電子顯微鏡對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行改變例如電子束能量,激勵的角度,遠(yuǎn)場輻射的接受角度,對前面數(shù)值和模擬的結(jié)果進(jìn)行驗證。
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