太赫茲電磁波因其獨特的物理性質(zhì)在生物醫(yī)學、材料科學、安全檢查、通信等領(lǐng)域擁有廣闊的應用前景,缺乏緊湊型、高效率、大功率的太赫茲輻射源是制約太赫茲波實際應用的主要障礙之一。本文針對這一關(guān)鍵科學技術(shù)問題提出并研究了一系列基于特異Smith-Purcell輻射的太赫茲源方案,對其工作機制和包含的物理問題進行了詳細探討,具體包括:1)研究了基于兩段光柵、利用連續(xù)電子注自群聚的高次諧波產(chǎn)生相干輻射的太赫茲輻射模型。它包括兩種模型:第一種模型是一段工作在常規(guī)Smith-Purcell輻射模式的光柵的后面增加一段工作在特異Smith-Purcell輻射模式的光柵而形成的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。利用第一段光柵對電子束進行預群聚,然后用第二段光柵產(chǎn)生高次諧波的相干太赫茲Smith-Purcell輻射。第二種模型中兩段光柵均工作在常規(guī)Smith-Purcell輻射模式。該模型通過對電子注的多次群聚來產(chǎn)生多色相干太赫茲Smith-Purcell輻射。2)研究了利用光陰極電子槍產(chǎn)生的周期性脈沖電子束團與光柵表面波相互作用,電子束團內(nèi)部電荷進一步微群聚,進而在兩次群聚的諧波疊加分量上產(chǎn)生多色相干太赫茲輻射的模型。通過在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激光脈沖重復頻率,實現(xiàn)輻射頻率的寬譜可調(diào)。3)為了實現(xiàn)輻射方向在三維空間的可控,研究了利用片狀電子注激勵二維亞波長矩形孔陣列產(chǎn)生特異Smith-Purcell輻射的太赫茲輻射模型。通過改變相關(guān)結(jié)構(gòu)和物理參數(shù),該模型可以產(chǎn)生多色、多輻射方向且輻射方向可調(diào)的相干太赫茲輻射。以上研究為發(fā)展新型小型化、大功率、可調(diào)諧太赫茲源提供了新的思路,為實際器件的發(fā)展提供了理論支持。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O441
【部分圖文】：

?（ＳＷＳ）??ｏｕｔｐｕｔ??圖１．３返波管原理示意圖??返波管（ＢＷＯ）是目前實際應用在低頻段的主要太赫茲輻射源。典型的返波??管結(jié)構(gòu)如圖１．３所示［２８］，電子注從周期性的慢波結(jié)構(gòu)表面掠過，并與其在慢波結(jié)??３??

０００??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?（ＴＨｚ）??圖１．２不聞太赫茲源輻射功率與輻射頻率的關(guān)系??注：ＩＭＰＡＴＴ：碰揸雪崩渡越時間二極管；ＲＴＤ：共振隧穿二極管；Ｇｕｎｎ：耿氏二??極管或轉(zhuǎn)移電子器件；ＴＵＮＮＥＴＴ：隧穿注入渡越時間二極管；ＭＭＩＣ：單片微波??集成電路；ＵＴＣ－ＰＤ：單行載流子光電二極管；ＤＦＧ：差頻；ＱＣＬ：量子級聯(lián)激光??器；ｐ－Ｇｅ?ｌａｓｅｒ：?ｐ型摻雜鍺基激光器??Ｔ）和較低的溫度（２０?Ｋ）下，由于晶體過熱的限制，其重復頻率也限制在１?ｋＨｚ??左右＠］。??（５）基于自由電子輻射的太赫茲源??基于自由電子的輻射源是目前主要的太赫茲輻射源之一，主要包括回旋管??（Ｇｙｒｏｔｒｏｎ）［２１－２２］、擴展相互作用管（ｅｘｔｅｎｄｅｄ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｋｌｙｓｔｒｏｎ，?ＥＩＫ）［２３－２４】、返波管??（ｂａｃｋｗａｒｄ?ｗａｖｅ?ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，?ＢＷＯ）【２５］、自由電子激光（ｆｒｅｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｌａｓｅｒ，ＦＥＬ）［２６＊２７】??等，它們可以產(chǎn)生較高功率的太赫茲輻射。??－Ｕ＋?午??ｃａｔｈｏｄｅ?Ｉ?Ｌ????ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ??ａｎｏａｅ?Ｓｌｏｗ－ｗａｖｅ??Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??ｐｏｗｅｒ?（ＳＷＳ）??ｏｕｔｐｕｔ??圖１．３返波管原理示意圖??返波管（ＢＷＯ）是目前實際應用在低頻段的主要太赫茲輻射源。典型的返波??管結(jié)構(gòu)如圖１．３所示［２８］，電子注從周期性的慢波結(jié)構(gòu)表面掠過，并與其在慢波結(jié)??３??

圖１．４?Ｓｍｉｔｈ－Ｐｕｒｃｅｌｌ轄射模型示意圖??當一個帶電粒子沿垂直于光柵溝槽方向平行于光柵表面掠過時，會在光柵??上方激發(fā)出所謂的ＳＰＲ，如圖１．４所示［４２］。各個方向的ＳＰＲ頻率不同，其輻射波??長、帶電粒子速度（能量）、光柵周期和輻射方向的關(guān)系遵從如下的簡單關(guān)系式：??又＝河（豆?＿?ｃ〇ｓＳ），?（１．１）??其中，Ａ表示輻射波長，Ｌ表示光柵周期長度，ｎ代表輻射的諧波次數(shù)，０表示??輻射波矢Ｒ與ｚ軸的夾角，０?＝?ｕｅ／ｃ代表電子速度％和光速ｃ的比值。若圖中??運動電荷電荷密度是沿ｙ方向均勻分布的無限長的線電荷，且光柵在ｙ方向尺??寸無限大，則圖１．４所示模型可以簡化為ｘ－ｚ平面里的二維模型（見圖２．１）。由于??是Ｓｍｉｔｈ和Ｐｕｒｃｅｌ丨于１９５３年首次通過實驗觀測到ＳＰＲ現(xiàn)象［４３］，所以這一輻射??現(xiàn)象因此得名Ｓｍｉｔｈ－Ｐｕｒｃｅｌｌ輻射。??ＳＰＲ可以簡單理解為運動電子產(chǎn)生的入射場投射到光柵的周期性表面結(jié)構(gòu)??時產(chǎn)生的衍射效應［？，并且產(chǎn)生自不同周期的某一特定頻率的衍射輻射在空間??中特定方向上產(chǎn)生相干
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本文編號：2853807