相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法技术

本发明专利技术提供一种相干Smith‑Purcell辐射器件及相干THz辐射信号的产生方法，该器件包括：电子发射源、泵浦源、第一金属光栅结构和第二金属光栅结构；电子发射源用于发射直流电子束；泵浦源用于在第一金属光栅结构上产生局域周期性电磁场；局域周期性电磁场将直流电子束调制成群聚电子束；第二金属光栅结构的周期小于第一金属光栅结构，用于使经过其上的群聚电子束产生相干Smith‑Purcell辐射。本发明专利技术实施例提供的相干Smith‑Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法，利用泵浦源激励光栅表面的周期性电磁场，实现直流电子到群聚电子的转换，通过设置Smith‑Purcell辐射的光栅周期，实现THz辐射信号的产生，实现了器件的小型化，增强了THz辐射信号的强度、相干性和方向性。

Coherent Smith Purcell radiation device and generation method of coherent THz radiation signal

The invention provides a coherent Smith \u2011 Purcell radiation device and a generation method of coherent THz radiation signal, the device includes: an electron emission source, a pump source, a first metal grating structure and a second metal grating structure; an electron emission source is used to emit a DC electron beam; a pump source is used to generate a local periodic electromagnetic field on the first metal grating structure; the local periodic electromagnetic field will The period of the second metal grating structure is less than that of the first metal grating structure, which is used to generate coherent Smith \u2011 Purcell radiation through the clustered electron beam on it. The coherent Smith \u2011 Purcell radiation device and the generation method of coherent THz radiation signal provided by the embodiment of the invention utilize the pump source to excite the periodic electromagnetic field on the grating surface, realize the conversion from DC electron to clustered electron, realize the generation of THz radiation signal by setting the grating period of Smith \u2011 Purcell radiation, realize the miniaturization of the device and enhance the intensity of THz radiation signal , coherence and directionality.

【技术实现步骤摘要】
相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法
本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法。
技术介绍
太赫兹(Terahertz，简称：THz，1THz＝1012Hz)波，是指频率在0.1THz-10THz频段的电磁波。太赫兹波具有强穿透性、低光子能量以及相干性等优秀特性，可广泛应用于无损质量检测、太赫兹成像以及空间光通讯等诸多领域，太赫兹技术也被认为是未来最重要的技术之一。Smith-Purcell辐射是指自由电子与光栅相互作用产生的电磁辐射，通过电子能量和光栅周期的设计可以输出特定波长的电磁波。如果能够实现太赫兹波段的Smith-Purcell辐射，可以解决太赫兹源难以集成的问题，更有利于未来小体积实用化的太赫兹光源的应用。在此基础上，若能进一步在THz波段实现相干的Smith-Purcell辐射，则能实现强度更强、频带更窄的太赫兹输出，进一步提高其在未来用于探测、成像等实际领域的实用性。目前，基于真空自由电子的THz器件，比如基于波荡器原理的自由电子激光器，为了获取群聚的电子束，一般需要大型电子加速器，无法实现器件的小型化，从而降低实用性。常见的真空自由电子器件，例如回旋管和返波管，难以实现高频段(大于1THz)的THz辐射。其中返波管通过自由电子和光栅相互作用产生返波模式，利用返波模式调制电子实现群聚，群聚电子进而增大辐射强度，实现受激的相干辐射。但是随着频率的增大(大于1THz)，光栅尺寸和周期减小，电子束和光栅之间利用返波调制电子进行受激放大的方案难度实现，主要由于电子束聚焦和准直效果以及电子束和光栅之间的作用距离等条件变得苛刻。基于，现有技术的诸多缺陷，如何提供一种结构简单、实用性强的相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法，是本领域值得解决的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法，用以解决现有技术中的上述不足。一方面，本专利技术实施例提供一种相干Smith-Purcell辐射器件，包括：电子发射源、泵浦源、第一金属光栅结构和第二金属光栅结构；其中，电子发射源用于发射直流电子束；泵浦源用于在第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场；利用所述局域周期性电磁场将直流电子束调制成群聚电子束。其中，第二金属光栅结构的周期小于所述第一金属光栅结构，用于使经过第二金属光栅结构中的群聚电子束产生相干Smith-Purcell辐射；其中，泵浦源的信号频率与所述第一金属光栅的周期的乘积等于直流电子束的速度。另一方面，本专利技术实施例提供一种相干THz辐射信号产生方法，该方法包括：通过电子发射源发射直流电子束；通过泵浦源在第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场，并利用局域周期性电磁场将直流电子束调制成群聚电子束；其中，泵浦源的信号频率与第一金属光栅结构的周期的乘积等于直流电子束的速度；将群聚电子束经过第二金属光栅结构，产生相干Smith-Purcell辐射；获取由所述相干Smith-Purcell辐射所产生的相干THz辐射信号。本专利技术实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件及相干THz辐射信号产生方法，利用泵浦源激励光栅表面的周期性电磁场，实现直流电子到群聚电子的转换，进而利用群聚电子产生相干Smith-Purcell辐射，实现了器件的小型化，并进一步地通过设置Smith-Purcell辐射的光栅周期，实现高阶倍频相干THz辐射信号的产生，增强了相干THz辐射信号的强度和相干性，并使得辐射信号具有明确的方向性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，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为本专利技术实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件的三维结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种相干Smith-Purcell辐射器件的主视结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的另一种相干Smith-Purcell辐射器件的三维结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的另一种相干Smith-Purcell辐射器件的俯视结构示意图；图6为本专利技术实施例提供的另一种相干Smith-Purcell辐射器件的主视结构示意图；图7为本专利技术实施例提供的又一种相干Smith-Purcell辐射器件的三维结构示意图；图8为本专利技术实施例提供的相干THz辐射信号的产生方法的流程示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本专利技术实施例提供一种相干Smith-Purcell辐射器件的内部连接关系示意图，该辐射器件包括：电子发射源2、泵浦源1、第一金属光栅结构4和第二金属光栅结构5。其中，电子发射源2用于发射直流电子束；泵浦源1用于在第一金属光栅结构4上产生特定频率的局域周期性电磁场，利用该局域周期性电磁场直流电子束调制成群聚电子束；第二金属光栅结构5的周期小于所述第一金属光栅结构4的周期，用于使经过第二金属光栅结构5中的群聚电子束产生相干Smith-Purcell辐射；其中，泵浦源1的信号频率与第一金属光栅4的周期的乘积等于直流电子束的速度。结合实际应用场景，本专利技术实施例提供的相干Smith-Purcell辐射器件的正视图可参考图2，侧视图可参考图3。其中，该电子发射源2用于发射直流电子束，该直流电子束的电流可以为：1～100mA，束径可以为：1～200μm，电子能量可以为：1～100keV。其中，泵浦源1可以设置在器件的外部，该泵浦源用于产生特定频率的信号，该信号作用于第一金属光栅结构4上，并在该第一金属光栅结构4上形成特定频率的局域周期性电磁场。该电磁场的频率由泵浦源1产生的信号的频率决定，从而可以通过设置泵浦源1产生的信号的频率控制第一金属光栅结构4上形成的局域周期性电磁场的频率。当直流电子束中的自由电子飞过第一金属光栅结构4的表面，由于受到光栅表面局域周期性电磁场的影响，自由电子的能量会被调制，直流电子束中的部分电子会被极大的加速，而相应的部分电子会被极大的减速，从而直流电子束会被周期性电磁场调制成疏密相间的群聚电子束，即实现了电子群聚的效果。其中，第一金属光栅结构4的周期可以是：0.1mm-5mm，占空比可以设置为0.1-0.5，其主要功能是受泵浦源1产生的信号激发，在第一金属光栅结构4的表面生成局域周期电磁场，利用该电磁场对经过的直流电子束中的电子进行调制，实现直流电子束的群聚得到群聚电子束。另外，第二金属光栅结构5位于第一金属光栅结构4之后。第二金属光栅结构5的周期可以为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相干Smith‑Purcell辐射器件，其特征在于，包括：电子发射源、泵浦源、第一金属光栅结构和第二金属光栅结构；所述电子发射源用于发射直流电子束；所述泵浦源用于在所述第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场，利用所述局域周期性电磁场将所述直流电子束调制成群聚电子束；所述第二金属光栅结构的周期小于所述第一金属光栅结构的周期，用于使经过所述第二金属光栅结构中的所述群聚电子束产生相干Smith‑Purcell辐射；其中，所述泵浦源的信号频率与所述第一金属光栅的周期的乘积等于所述直流电子束的速度。

【技术特征摘要】
1.一种相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，包括：电子发射源、泵浦源、第一金属光栅结构和第二金属光栅结构；所述电子发射源用于发射直流电子束；所述泵浦源用于在所述第一金属光栅结构上产生特定频率的局域周期性电磁场，利用所述局域周期性电磁场将所述直流电子束调制成群聚电子束；所述第二金属光栅结构的周期小于所述第一金属光栅结构的周期，用于使经过所述第二金属光栅结构中的所述群聚电子束产生相干Smith-Purcell辐射；其中，所述泵浦源的信号频率与所述第一金属光栅的周期的乘积等于所述直流电子束的速度。2.根据权利要求1所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，还包括：电子束聚焦系统，采用磁场聚焦方法对直流电子束进行聚焦，使电子能顺利通过所述第一金属光栅和所述第二金属光栅而不发生严重扩散。3.根据权利要求2所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，所述电子束聚焦系统包括磁体结构，所述磁体结构产生的磁场的方向与所述直流电子束的方向平行。4.根据权利要求1所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，还包括电子收集器，所述电子收集器位于所述第二金属光栅结构后，用于收集所述电子发射源发射的经过所述第一金属光栅和所述第二金属光栅后的电子束。5.根据权利要求1所述的相干Smith-Purcell辐射器件，其特征在于，所述第一金属光栅结构和所述第二金属光栅结构的材质为：金、银、铜、铁、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仿，林月钗，李天畅，黄翊东，冯雪，崔开宇，张巍，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11