基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法技术

基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，通过频率设计不同介电常数的材料组分及厚度，在材料的拓扑态突变点来设计器件输出辐射特性，具体步骤：S1、设计一种支持突变拓扑态的辐射器件结构，分为石墨烯层/氮化硼层/金属铝层三层，其中石墨烯层在极紫外为介质特性，金属铝层实现金属特性；S2、辐射器件结构的厚度设计；S3、辐射场强及电子飞行距离设计，拓扑态突变点的切伦科夫辐射波矢方向沿传播方向，将电磁波的能流方向与波矢方向垂直，实现电子能量最大化提取。本发明专利技术利用材料拓扑态突变来实现高功率微波辐射；在利用低电子能量实现辐射的基础上，实现可调窄带高功率输出，从而形成高功率中心频率可调辐射芯片设计及研制。

【技术实现步骤摘要】
基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法
本专利技术涉及高功率微波器件设计领域，具体涉及一种基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法。
技术介绍
当带电粒子以一定速度阈值穿过电介质时，驱动介质发出的电磁辐射被称为切伦科夫辐射。切伦科夫辐射的产生需要将带电粒子速度超过电磁波在媒质中的相速度。传统产生切伦科夫辐射需要电子能量大约为几百keV。在这种高压需求下的辐射源不论是从安全、成本还是稳定性都难以满足实际应用条件。为降低产生切伦科夫辐射所需电子能量，美国麻省理工学院MarinSoljacic等人公开了利用高阶Smith-Purcell效应来实现低电子能量辐射，电子能量为4keV，受限于半导体加工工艺，输出波长最短为400纳米；刘盛刚院士等公开了切伦科夫表面等离子激元方法来实现微型辐射源，输出波长500纳米，所需电子能量为15keV；肖龙等人公开了双曲超材料中切伦科夫辐射器件设计方法，通过利用双曲超材料中的大波矢来提取低能量电子周围电磁能量。但双曲超材料设计依赖于该频段的金属与介质材料的本征电磁特性，在太赫兹、极深紫外等频段目前没有相对应的材料体系，目前尚无极紫外频段高功率辐射源的设计方法及相关技术。同时辐射功率谱较宽，在实际应用时单频率辐射电磁功率谱密度较低，辐射中心频率不能调控，极大限制极紫外辐射源的应用。高功率辐射源器件是高功率微波系统的核心模块，传统器件采用电真空相关技术。对于电真空技术，频率越高，加工难度越大，器件辐射效率越低。传统媒质的介电常数的色散曲线为“椭圆曲线型”，如图1所示。在双曲超材料中，介电常数色散曲线如图2所示为“双曲线型”。针对目前缺乏微型高频、高功率电磁波辐射器件的难题，进行高功率极紫外辐射源的设计、研制，寻找一个方法实现色散曲线由“椭圆曲线型”转变为“双曲线型”的拓扑态发生突变的状态来设计器件辐射特性，分别由图1中正“椭圆曲线型”转变为图2中“双曲线型”，图1中负“椭圆曲线型”转变为图2中“双曲线型”。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对传统材料受限于介电常数不能到达一定频段的不足，提供一种基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，利用材料拓扑态突变来实现高功率微波辐射；在利用低电子能量实现辐射的基础上，实现可调窄带高功率输出，从而形成高功率中心频率可调辐射芯片设计及研制。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，通过频率设计不同介电常数的材料组分及厚度实现色散曲线由“椭圆曲线型”转变为“双曲线型”的拓扑态发生突变的状态，在材料的拓扑态突变点来设计器件输出辐射特性，具体包括如下步骤：S1、设计一种支持突变拓扑态的辐射器件结构，该辐射器件结构分为石墨烯层/氮化硼层/金属铝层三层，其中石墨烯层在极紫外为介质特性，金属铝层实现金属特性；S2、辐射器件结构的厚度设计，石墨烯层的层数、氮化硼层与金属铝层的厚度依据公式(1)、(2)进行确定：εy＝εz＝mεg+nεd+(1-m-n)εm(2)其中εg为石墨烯介电常数，εd为氮化硼介电常数，εm为金属介电常数，m、n分别为石墨烯层和氮化硼层所占厚度比例，εx、εy、εz分别为辐射器件结构在X、Y、Z方向上的等效介电常数，在公式(1)、(2)基础上设计计算等效介电常数εx、εy、εz；S3、辐射场强及电子飞行距离设计，拓扑态突变点的切伦科夫辐射波矢方向沿传播方向，将电磁波的能流方向与波矢方向垂直，实现电子能量最大化提取，同时耦合到媒质中的电磁能量以最低损耗辐射至结构体外(在最大化提取电子周围电磁能量的同时尽量减小由于金属虚部存在导致的损耗影响)。按上述方案，所述步骤S1中，石墨烯介电常数通过外加电压实现动态调控。按上述方案，所述步骤S2中，石墨烯层厚度为1纳米，氮化硼层厚度为3-5纳米，金属铝层厚度为5-10纳米。按上述方案，所述步骤S3中，通过电子周围能量密度积分，得到该辐射器件结构下利用1keV的电子能量，电磁波辐射功率密度达2×1012W/cm2，相对于双曲超材料中辐射功率密度提升一个数量级。按上述方案，高功率辐射源所有制备加工工艺均通过标准半导体微纳加工工艺完成，将结构体加工到芯片上(在降低辐射源尺寸的同时可以降低成本，具备大规模量产能力)。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术首次公开了在材料的拓扑态突变点来设计器件输出特性的理论及设计方案，并在极紫外频段对该器件的原理及特性进行分析说明，器件输出功率从仿真中比现有最高指标(双曲超材料)高一个数量级；2、本专利技术通过特殊的结构设计和材料的选用，使电磁波的波矢方向和能流方向垂直，在此特殊情况下，实现电子能量最大化提取同时耦合到媒质中的电磁能量以最低损耗辐射至结构体外；3、本专利技术使用半导体微纳加工工艺，把结构体(散射体)加工到芯片上，有望在微型高功率微波武器、高效远距离无线能量传输等以电磁波能源为载体的领域产生广泛的应用，使电磁场更高效传输至远场。附图说明图1为传统材料色散曲线“椭圆线型”图；图2为双曲超材料“双曲线型”图；图3为本专利技术基于突变拓扑态的高功率辐射源示意图；图4为本专利技术随着波长改变等效介电常数从“椭圆线型”变为“双曲线型”示意图；图5为图4中拓扑态突变区域示意图，深灰色为拓扑态突变区域；图6为仿真计算得到输出波长为111纳米电磁模式图；图7为仿真得到输出中心波长为174纳米电磁模式图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。本专利技术核心技术途径就是通过在特定的频率设计不同介电常数的材料组分及厚度实现色散曲线由“椭圆曲线型”转变为“双曲线型”的拓扑态发生突变的状态来设计器件辐射特性。分别由图1中正“椭圆曲线型”转变为图2中“双曲线型”，图1中负“椭圆曲线型”转变为图2中“双曲线型”。基于此设计思路，针对目前缺乏微型高频、高功率电磁波辐射器件的难题，进行高功率极紫外辐射源的设计、研制。本专利技术以中心频率为极紫外频段小型辐射源为例进行说明，具体器件结构如图3所示。基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，具体包括如下步骤：S1、支持突变拓扑态的辐射器件结构设计，该辐射器件结构分为石墨烯层/氮化硼层/金属铝层三层，其中石墨烯层在极紫外为介质特性，通过外加电压，石墨烯的介电常数实现动态调控；金属铝层实现金属特性；S2、辐射器件结构的厚度设计，石墨烯层的层数、氮化硼层与金属铝层的厚度依据公式(1)、(2)进行确定，石墨烯层厚度为1纳米，氮化硼层厚度为3-5纳米，金属铝层厚度为5-10纳米(例如石墨烯1nm，氮化硼4nm，金属铝5nm，则石墨烯层所占厚度比例m＝0.1，氮化硼层所占厚度比例n＝0.4，金属铝层所占厚度比例为0.5)；在公式(1)、(2)基础上设计计算等效介电常数εx、εy、εz，如图4所示，其中A’点为器件设计工作点，对应设计辐射中心波长为100纳米及170纳米，如图5所示；S3、辐射场强及电子飞行距离设计，拓扑态突变点的切伦科夫辐射波矢方向沿传播方向，将电磁波的能流方向与波矢方向垂直，即能流方向垂直于传播方向，实现电子能量最大化提取，同时耦合到媒质中的电磁能量以最低损耗辐射至结构体外。本专利技术的技术要点包括：(1)基于突变拓扑态的辐射器件设计原理方法及技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，其特征在于，通过频率设计不同介电常数的材料组分及厚度实现色散曲线由“椭圆曲线型”转变为“双曲线型”的拓扑态发生突变的状态，在材料的拓扑态突变点来设计器件输出辐射特性，具体包括如下步骤：S1、设计一种支持突变拓扑态的辐射器件结构，该辐射器件结构分为石墨烯层/氮化硼层/金属铝层三层，其中石墨烯层在极紫外为介质特性，金属铝层实现金属特性；S2、辐射器件结构的厚度设计，石墨烯层的层数、氮化硼层与金属铝层的厚度依据公式(1)、(2)进行确定：

【技术特征摘要】
1.基于突变拓扑态的高功率辐射源设计方法，其特征在于，通过频率设计不同介电常数的材料组分及厚度实现色散曲线由“椭圆曲线型”转变为“双曲线型”的拓扑态发生突变的状态，在材料的拓扑态突变点来设计器件输出辐射特性，具体包括如下步骤：S1、设计一种支持突变拓扑态的辐射器件结构，该辐射器件结构分为石墨烯层/氮化硼层/金属铝层三层，其中石墨烯层在极紫外为介质特性，金属铝层实现金属特性；S2、辐射器件结构的厚度设计，石墨烯层的层数、氮化硼层与金属铝层的厚度依据公式(1)、(2)进行确定：εy＝εz＝mεg+nεd+(1-m-n)εm(2)其中εg为石墨烯介电常数，εd为氮化硼介电常数，εm为金属介电常数，m、n分别为石墨烯层和氮化硼层所占厚度比例，εx、εy、εz分别为辐射器件结构在X、Y、Z方向上的等效介电常数，在公式(1)、(2)基础上设计计算等效介电常数εx、εy、εz；S3、辐射场强及电子飞行距离设计，拓扑态突变点的切伦科夫...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖龙，陈俊峰，陈亮，张崎，郭龙颖，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：湖北,42