一种基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于F‑P腔加载的人工表面等离激元辐射器及控制方法。本发明专利技术采用金属光栅和法布里‑珀罗F‑P腔，电子束在二者之间的空隙中穿过，在金属光栅的表面激发出SSP，通过SSP与自由电子束注‑波互作用实现SSP的放大，功率流到达F‑P腔的一个反射镜时，部分功率流会被反射回到F‑P腔中，继续注‑波互作用，剩余部分功率流从F‑P腔与金属光栅的空隙输出，通过再生放大机制，实现人工表面等离激元辐射器；在本发明专利技术中，F‑P腔有效地延长了互作用距离，能够在较短的互作用电路上获得较高的互作用效率，特别是电子束电流较弱的片上太赫兹源系统；本发明专利技术简单有效，不仅仅能够用于太赫兹器件中，也能够用于其他的基于自由电子束的真空电子器件中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器及控制方法
本专利技术涉及真空电子学领域，具体涉及一种基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器及控制方法。
技术介绍
基于自由电子束与周期结构表面的人工表面等离激元(Spoofsurfaceplasmon，SSP)产生太赫兹辐射源是最近几年来一直研究的热点之一。但是这种机制的互作用效率较低，如何提供互作用效率也是近些年的研究热点。目前，提高自由电子束与SSP互作用效率的方法大致方法分为以下几类：一、群聚电子束，相比连续电子束而言，群聚电子束与SSP更易获得高效的互作用，这种机制也被称为超辐射。二、增加电子束通道的电场强度。互作用效率与互作用区的电场强度成正比。因此通过改变结构，如双栅等结构可以将增加电子束通道区域的电场而提高注-波互作用效率；三、增加电子束的电流密度，互作用效率与电子束电流的平方成正比，提高电流密度可以获得高效的互作用；四、延长互作用电路长度，电子束与SSP的互作用距离越长，能量交换就越多，互作用效率就越高。此外还存在一些其他的办法，如多注电子束互作用等结构也可以增加互作用效率。但这些方式在实际应用过程中也面临许多问题。一、由于质量良好的群聚电子束在实际过程中很难获得，超辐射难以实现。二、现阶段许多增加互作用场强的结构比较复杂，受实际加工工艺与装配技术的影响，在实验中实现比较困难。三、受阴极工艺的限制，大电流密度的电子枪难以获得。四、延长互作用电路长度意味着需要电子束在长距离传输过程中保持良好的聚焦特性，这在实际实验过程中难以实现。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器及控制方法，通过SSP与自由电子束注-波互作用实现SSP的放大，F-P腔将电子束与SSP的互作用距离有效延长，极大的提高了互作用效率。本专利技术的一个目的在于提出一种基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器。本专利技术的基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器包括：金属光栅和法布里-珀罗F-P腔；其中，在金属光栅之上设置法布里-珀罗F-P腔；F-P腔与金属光栅之间的空隙为g，小于SSP垂直于金属光栅方向的衰减距离，大于等于电子束的宽度；金属光栅的单位周期长度为p，金属宽度为a，槽深为h；法布里-珀罗F-P腔包括第一和第二反射镜，长度为Lc；电子束在F-P腔与金属光栅之间的空隙中穿过，在金属光栅的表面激发出SSP，电子束的工作电压为U，电流为I；根据金属光栅的单位周期长度、金属宽度和槽深，得到金属光栅的色散线，并得到色散线的中点对应的波失和频率，位于色散线的中点以前的区域为前向波区，位于色散线的中点以后的区域为返向波区；根据电子束的工作电压得到电子束的色散线；电子束的色散线与金属光栅的色散线的交点为互作用点，互作用点所对应的频率即为SSP的频率；通过调节电子束的工作电压，调节电子束的色散线的斜率，从而调整电子束的色散线与金属光栅的色散线的交点，调整互作用点位于前向波区或者返向波区，如果互作用点在前向波区，SSP处于前向波模式时，电子束与SSP满足互作用条件，如果互作用点在返向波区，SSP处于返向波模式时，电子束与SSP满足互作用条件；电子束以第一方向，从第一反射镜端在F-P腔与金属光栅之间的空隙中穿过，在金属光栅的表面激发出SSP；当调节电子束的工作电压使得互作用点位于返向波区时，此时SSP的功率流与SSP的传播方向相反以第二方向传播，SSP处于返向波模式，SSP与电子束进行注-波互作用，在功率流传播的过程中功率流不断的增加，当功率流传播到第一反射镜时，受到第一反射镜的反射之后继续以第一方向传播，此时功率流的方向反向，SSP处于前向波模式，由于在前向波模式中电子束与SSP不满足互作用条件，因此功率流的幅值相对稳定，当功率流到达第二反射镜时，部分功率流会被反射回到F-P腔中，重新参与下一轮的注-波互作用，剩余部分功率流从F-P腔与金属光栅的空隙输出，在第二反射镜产生一个太赫兹脉冲包络，这样一次来往的反射过程为一个回合，功率流在F-P腔中经历相同的多次来回反射过程，每当功率流到达第二反射镜时，都会产生一个脉冲，这些输出的脉冲形成一个脉冲序列；当调节电子束的工作电压使得互作用点位于前向波区时，此时SSP的功率流与SSP的传播方向相同以第一方向传播，SSP为前向波模式，SSP与电子束进行注-波互作用，在功率流传播的过程中功率流不断的增加，当功率流传播到第二反射镜时，部分功率流会被反射回到F-P腔中，重新参与下一轮的注-波互作用，剩余部分功率流从F-P腔与金属光栅的空隙输出，在第二反射镜产生一个太赫兹脉冲包络，反射回F-P腔的功率流继续以第二方向传播，此时功率流的方向反向，SSP处于返向波模式，由于在返向波模式中电子束与SSP不满足互作用条件，因此功率流的幅值相对稳定，当功率流到达第一反射镜时，被反射以第一方向传播，这样一次来往的反射过程为一个回合，功率流在F-P腔中经历相同的多次来回反射过程，每当功率流到达第一反射镜时，都会产生一个脉冲，这些输出的脉冲形成一个脉冲序列；脉冲序列的周期由工作电压与F-P腔的长度调节；从而通过SSP与电子束注-波互作用获得SSP的放大的再生放大机制，实现人工表面等离激元辐射器。从第一反射镜至第二反射镜的方向为第一方向，从第二反射镜至第一反射镜的方向为第二方向。互作用点位于返向波区时，激发的SSP为返向波模式，返向波模式是SSP的传播方向与功率流的传播方向相反；互作用点位于前向波区时，激发的SSP为前向波模式，前向波模式是SSP的传播方向与功率流的传播方向相同。金属光栅的色散线方程为：其中，为SSP的n次谐波沿传播方向的波矢，β0为SSP的0次谐波的传播波矢，k＝2πf/c为自由空间波矢，c是光速，f为频率，通过解上述色散线方程，得到色散线。电子束的色散线由以下公式获得：ω＝2πf＝veβ其中，ve为电子束的速度；β为电子束的传播波矢，f为频率。SSP垂直于金属光栅方向的衰减距离δ由下式计算：其中，n是指SSP的谐波次数，在金属光栅表面有无穷个谐波，但是0次谐波所占能量比重最大，一般只考虑0次谐波。脉冲序列的周期tp为一个功率流在F-P腔中完成一次来回所需要的时间，由下式计算的得到：tp＝2Lc/vg其中，vg是功率流的传播速度，即互作用点的群速度，由色散线上该点的斜率得到。F-P腔的第一和第二反射镜采用平面镜或者凹面镜。金属光栅的材料采用金属。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器的控制方法。本专利技术的基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器的控制方法，包括以下步骤：1)设计结构参数，包括金属光栅F-P腔与金属光栅之间的空隙g，金属光栅的单位周期长度p、宽度a，槽深h，法布里-珀罗F-P腔的第一与第二反射镜之间的长度Lc；2)根据金属光栅的单位周期长度、金属宽度和槽深，得到金属光栅的色散线，并得到色散线的中点对应的波失和频率，位于色散线的中点以前的区域为前向波区，位于色散线的中点以后的区域为返向波区；根据电子束的工作电压得到电子束的色散线；电子束的色散线与金属光栅的色散线的交点为互作用点，互作用点所对应的频率即为SSP的频率；3)通过调节电子束的工作电压，调节电子束的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于F‑P腔加载的人工表面等离激元辐射器，其特征在于，所述人工表面等离激元辐射器包括：金属光栅和法布里‑珀罗F‑P腔；其中，在金属光栅之上设置法布里‑珀罗F‑P腔；所述F‑P腔与金属光栅之间的空隙为g，小于SSP垂直于金属光栅方向的衰减距离，大于等于电子束的宽度；所述金属光栅的单位周期长度为p，金属宽度为a，槽深为h；法布里‑珀罗F‑P腔包括第一和第二反射镜，长度为Lc；电子束在F‑P腔与金属光栅之间的空隙中穿过，在金属光栅的表面激发出SSP，电子束的工作电压为U，电流为I；根据金属光栅的单位周期长度、金属宽度和槽深，得到金属光栅的色散线，并得到色散线的中点对应的波失和频率，位于色散线的中点以前的区域为前向波区，位于色散线的中点以后的区域为返向波区；根据电子束的工作电压得到电子束的色散线；电子束的色散线与金属光栅的色散线的交点为互作用点，互作用点所对应的频率即为SSP的频率；通过调节电子束的工作电压，调节电子束的色散线的斜率，从而调整电子束的色散线与金属光栅的色散线的交点，调整互作用点位于前向波区或者返向波区，如果互作用点在前向波区，SSP处于前向波模式时，电子束与SSP满足互作用条件，如果互作用点在返向波区，SSP处于返向波模式时，电子束与SSP满足互作用条件；电子束以第一方向，从第一反射镜端在F‑P腔与金属光栅之间的空隙中穿过，在金属光栅的表面激发出SSP；当调节电子束的工作电压使得互作用点位于返向波区时，此时SSP的功率流与SSP的传播方向相反以第二方向传播，SSP处于返向波模式，SSP与电子束进行注‑波互作用，在功率流传播的过程中功率流不断的增加，当功率流传播到第一反射镜时，受到第一反射镜的反射之后继续以第一方向传播，此时功率流的方向反向，SSP处于前向波模式，由于在前向波模式中电子束与SSP不满足互作用条件，因此功率流的幅值相对稳定，当功率流到达第二反射镜时，部分功率流会被反射回到F‑P腔中，重新参与下一轮的注‑波互作用，剩余部分功率流从F‑P腔与金属光栅的空隙输出，在第二反射镜产生一个太赫兹脉冲包络，这样一次来往的反射过程为一个回合，功率流在F‑P腔中经历相同的多次来回反射过程，每当功率流到达第二反射镜时，都会产生一个脉冲，这些输出的脉冲形成一个脉冲序列；当调节电子束的工作电压使得互作用点位于前向波区时，此时SSP的功率流与SSP的传播方向相同以第一方向传播，SSP为前向波模式，SSP与电子束进行注‑波互作用，在功率流传播的过程中功率流不断的增加，当功率流传播到第二反射镜时，部分功率流会被反射回到F‑P腔中，重新参与下一轮的注‑波互作用，剩余部分功率流从F‑P腔与金属光栅的空隙输出，在第二反射镜产生一个太赫兹脉冲包络，反射回F‑P腔的功率流继续以第二方向传播，此时功率流的方向反向，SSP处于返向波模式，由于在返向波模式中电子束与SSP不满足互作用条件，因此功率流的幅值相对稳定，当功率流到达第一反射镜时，被反射以第一方向传播，这样一次来往的反射过程为一个回合，功率流在F‑P腔中经历相同的多次来回反射过程，每当功率流到达第一反射镜时，都会产生一个脉冲，这些输出的脉冲形成一个脉冲序列；脉冲序列的周期由工作电压与F‑P腔的长度调节；从而通过SSP与电子束注‑波互作用获得SSP的放大的再生放大机制，实现人工表面等离激元辐射器。...

【技术特征摘要】
1.一种基于F-P腔加载的人工表面等离激元辐射器，其特征在于，所述人工表面等离激元辐射器包括：金属光栅和法布里-珀罗F-P腔；其中，在金属光栅之上设置法布里-珀罗F-P腔；所述F-P腔与金属光栅之间的空隙为g，小于SSP垂直于金属光栅方向的衰减距离，大于等于电子束的宽度；所述金属光栅的单位周期长度为p，金属宽度为a，槽深为h；法布里-珀罗F-P腔包括第一和第二反射镜，长度为Lc；电子束在F-P腔与金属光栅之间的空隙中穿过，在金属光栅的表面激发出SSP，电子束的工作电压为U，电流为I；根据金属光栅的单位周期长度、金属宽度和槽深，得到金属光栅的色散线，并得到色散线的中点对应的波失和频率，位于色散线的中点以前的区域为前向波区，位于色散线的中点以后的区域为返向波区；根据电子束的工作电压得到电子束的色散线；电子束的色散线与金属光栅的色散线的交点为互作用点，互作用点所对应的频率即为SSP的频率；通过调节电子束的工作电压，调节电子束的色散线的斜率，从而调整电子束的色散线与金属光栅的色散线的交点，调整互作用点位于前向波区或者返向波区，如果互作用点在前向波区，SSP处于前向波模式时，电子束与SSP满足互作用条件，如果互作用点在返向波区，SSP处于返向波模式时，电子束与SSP满足互作用条件；电子束以第一方向，从第一反射镜端在F-P腔与金属光栅之间的空隙中穿过，在金属光栅的表面激发出SSP；当调节电子束的工作电压使得互作用点位于返向波区时，此时SSP的功率流与SSP的传播方向相反以第二方向传播，SSP处于返向波模式，SSP与电子束进行注-波互作用，在功率流传播的过程中功率流不断的增加，当功率流传播到第一反射镜时，受到第一反射镜的反射之后继续以第一方向传播，此时功率流的方向反向，SSP处于前向波模式，由于在前向波模式中电子束与SSP不满足互作用条件，因此功率流的幅值相对稳定，当功率流到达第二反射镜时，部分功率流会被反射回到F-P腔中，重新参与下一轮的注-波互作用，剩余部分功率流从F-P腔与金属光栅的空隙输出，在第二反射镜产生一个太赫兹脉冲包络，这样一次来往的反射过程为一个回合，功率流在F-P腔中经历相同的多次来回反射过程，每当功率流到达第二反射镜时，都会产生一个脉冲，这些输出的脉冲形成一个脉冲序列；当调节电子束的工作电压使得互作用点位于前向波区时，此时SSP的功率流与SSP的传播方向相同以第一方向传播，SSP为前向波模式，SSP与电子束进行注-波互作用，在功率流传播的过程中功率流不断的增加，当功率流传播到第二反射镜时，部分功率流会被反射回到F-P腔中，重新参与下一轮的注-波互作用，剩余部分功率流从F-P腔与金属光栅的空隙输出，在第二反射镜产生一个太赫兹脉冲包络，反射回F-P腔的功率流继续以第二方向传播，此时功率流的方向反向，SSP处于返向波模式，由于在返向波模式中电子束与SSP不满足互作用条件，因此功率流的幅值相对稳定，当功率流到达第一反射镜时，被反射以第一方向传播，这样一次来往的反射过程为一个回合，功率流在F-P腔中经历相同的多次来回反射过程，每当功率流到达第一反射镜时，都会产生一个脉冲，这些输出的脉冲形成一个脉冲序列；脉冲序列的周期由工作电压与F-P腔的长度调节；从而通过SSP与电子束注-波互作用获得SSP的放大的再生放大机制，实现人工表面等离激元辐射器。2.如权利要求1所述的人工表面等离激元辐射器，其特征在于，金属光栅的色散线方程为：其中，为SSP的n次谐波沿传播方向的波矢，β0为SSP的0次谐波的传播波矢，k＝2πf/c为自由空间波矢，c是光速，f为频率，通过解上述色散线方程，得到色散线。3.如权利要求1所述的人工表面等离激元辐射器，其特征在于，所述电子束的色散线由以下公式获得：ω＝2πf＝veβ其中，ve为电子束的速度；β为电子束的传播波矢，f为频率。4.如权利要求1所述的人工表面等离激元辐射器，其特征在于，SS...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜朝海，朱娟峰，包路遥，刘濮鲲，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11