基于圆柱石墨烯表面等离子体波的切伦科夫太赫兹辐射源制造技术

本发明专利技术公开了一种基于圆柱石墨烯表面等离子体波的切伦科夫太赫兹辐射源，它包含完全覆盖圆柱形介质棒的石墨烯带，所述圆柱石墨烯介质棒结构在圆周方向存在2π周期性，使得表面等离子体波色散可以穿过介质光速线，表面等离子体波与介质中传输波波矢可以匹配，从而由环形电子激发起的表面等离子体波可在不需要波矢补偿情况下直接转化为介质棒中的相干切伦科夫太赫兹辐射，该辐射功率密度被表面等离子体波增强两到三个数量级，本发明专利技术可用于发展具有室温工作、相干、高功率的覆盖整个太赫兹波段的辐射源。

Cherenkov terahertz radiation source based on cylindrical graphene surface plasma wave

The invention discloses a Cherenkov terahertz radiation source based on cylindrical graphene surface plasma wave, which comprises a graphene band completely covered with a cylindrical dielectric rod. The cylindrical graphene dielectric rod structure has a 2 pi periodicity in the circumferential direction, so that the surface plasma wave dispersion can pass through the dielectric light speed line and the wave vector can be transmitted between the surface plasma wave and the medium. By matching, the surface plasmon wave excited by annular electrons can be directly converted into coherent Cherenkov terahertz radiation in dielectric rods without wave vector compensation. The radiation power density is enhanced by surface plasmon wave by two to three orders of magnitude. The invention can be used to develop a radiation source with room temperature operation, coherence and high power covering the entire terahertz band.

【技术实现步骤摘要】
基于圆柱石墨烯表面等离子体波的切伦科夫太赫兹辐射源
本专利技术属于辐射源工程
，涉及到一种基于圆柱石墨烯表面等离子体波的切伦科夫太赫兹辐射源，具体而言是一种可用于太赫兹成像、安检和通信等系统的相干太赫兹辐射源。
技术介绍
太赫兹波在电磁波谱中处于微波和红外线之间。太赫兹波具有很多独特的性质，首先，其光子能量低，低于各种化学键的键能，可用于对人体和各种生物体的无损安全检测。其次，太赫兹波长比可见光波长更长，可对烟雾等透视，并且对很多物质(陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料)的穿透性很好。再有，太赫兹波谱带宽很宽，可用于高速无线通信。并且，大多数生物大分子的振动和转动能级位于太赫兹波段，利用太赫兹光谱可以检测这些分子的指纹特征谱。基于这些特性，太赫兹在安全检测、成像、生物医学、无线通讯等领域均有重要的应用。近年来，太赫兹技术在国内外都掀起一股研究热潮，太赫兹辐射源是推动太赫兹科学技术发展的核心关键器件。目前按照产生太赫兹辐射的原理和方法，主要分为基于电子学的太赫兹辐射源和基于光子学的太赫兹辐射源。电子学器件从微波波段向上靠近太赫兹频段，而光子学器件从光波段向下进入太赫兹频段。然而，到目前为止仅仅依靠电子学或光子学方法都不能完全解决太赫兹辐射源的问题。例如，以固态电子学器件和真空电子学器件为代表的电子学太赫兹辐射源主要工作在1.5THz以下，且辐射功率随着工作频率的提高而急剧降低。而以近年来发展十分迅速的量子级联激光器为代表的光子学源则主要工作在太赫兹的高频段，其辐射功率随着频率降低而大幅度降低。并且，为了抑制量子背景噪声，该辐射源需要工作在低温条件下。因此，开发覆盖整个太赫兹频段的高功率太赫兹辐射源仍然是一项突出的挑战。在传统方法存在瓶颈的背景下，探索研究以新材料为基础产生太赫兹辐射的新的机制和方法将会对推动太赫兹科学技术的发展起到重要的意义。石墨烯是一种具有蜂窝状晶格的二维原子薄碳材料，由于其优异的电学和光学特性引起了广泛的研究兴趣。理论和实验研究均表明当石墨烯具有浓度适中(109-1012cm-2)的载流子时，其表面等离子体波(SPPs)频率正好在太赫兹波段。并且石墨烯SPPs具有极强的局域性，可大幅度提高场强度。更重要的是石墨烯SPPs的频率可通过外加偏置电压或者化学掺杂大范围动态调谐，能够覆盖整个太赫兹频段。从结构类型上看石墨烯可分为平面结构和圆柱结构。目前，大部分的研究都集中在石墨烯平面结构，但是石墨烯圆柱结构具有具有一些优点和独特的性质。圆柱结构在截面上半径可小至几十纳米，可构建紧凑的光子集成电路。另外，圆柱石墨烯结构在圆周方向具有2π周期性，这对石墨烯SPPs的性质带来很大的影响。石墨烯SPPs作为一种沿石墨烯表面传播的电磁慢波，其波矢远大于真空中传输波的波矢，因此，利用平面波不能直接激发石墨烯SPPs。通常采用光栅等波矢补偿结构补偿平面波波矢，从而激发石墨烯SPPs。然而，平行运动电子却能直接激发石墨烯SPPs，这是因为运动电子产生的倏逝场的相速度与电子的运动速度相同，其波矢也小于真空中传输波的波矢，该倏逝场波矢可以与石墨烯SPPs的波矢匹配，从而激发起SPPs。并且，平行运动电子注产生的倏逝波仅在某个频点能与石墨烯SPPs的波矢匹配，因此能够激发起相干的SPPs。基于石墨烯SPPs和平行运动电子卓越的特性使得探索研究基于石墨烯SPPs的高功率密度、可调谐、覆盖太赫兹波段的相干太赫兹辐射源具有十分诱人的前景。虽然平行运动电子具有直接激发起相干石墨烯SPPs的优点，但由于石墨烯SPPs的波矢很大，与真空中传播波的波矢不匹配，即使SPPs被电子注激励起也只能局域在石墨烯表面，不能耦合到自由空间中成为辐射场。此时，通常采用波矢补偿结构使SPPs的波矢与真空中传播场的波矢匹配。光栅结构是最普遍的波矢补偿结构。光栅结构的周期性给传输波附加了一个周期空间波矢，从而实现匹配。但是，光栅结构也面临着效率低和实现困难的问题。首先，石墨烯加载介质光栅结构作为一种周期系统，石墨烯SPPs和空间中的场为无穷多次空间谐波的叠加，但SPPs仅有负一次空间谐波携带少部分能量经过光栅衍射转化为辐射场，因此能量转化的效率较低。其次，周期仅微米量级的光栅表面光洁度很差，石墨烯覆盖在光栅表面极易碎裂，在技术实现上存在极大的困难。面对以上应用需求，本专利技术提出一种基于圆柱石墨烯SPPs的切伦科夫太赫兹辐射源，圆柱石墨烯介质棒结构在圆周方向存在2π周期性，使得表面等离子体波色散可以穿过介质光速线，从而由环形电子激发起的表面等离子体波可在不需要波矢补偿情况下直接转化为介质棒中的相干切伦科夫太赫兹辐射，该辐射功率密度被表面等离子体波增强两到三个数量级，通过改变介质棒的半径、石墨烯化学势及运动电子速度，可在太赫兹频段内大范围调谐辐射频率，集合了不需要波矢补偿、功率增强和调谐等优点，能提升太赫兹辐射源的辐射功率与频率覆盖范围。
技术实现思路
本专利技术鉴于上述背景而实现，目的在于集合不需要波矢补偿、功率增强和调谐的优点，提供一种能覆盖整个太赫兹波段的高功率辐射源。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案。石墨烯电导率σg采用库伯(Kubo)公式描述。联立边界条件在圆柱坐标系下求解麦克斯韦方程组可以得到圆柱石墨烯覆盖介质棒结构中不同区域的电磁场方程：对于介质棒内部区域(r＜ra)：其中：kz是SPPs在z方向上的波矢，k0是真空中波矢，ra是介质棒半径，ε1是介质棒介电常数，ε0是真空介电常数，ω是圆频率，j是虚数单位，J0是零阶贝塞尔函数，J0′是零阶贝塞尔函数的导数，A1是场系数。对于介质棒外部区域(r＞ra)：其中：K0是零阶变态贝塞尔函数，K0′是零阶变态贝塞尔函数的导数，A2是场系数。将以上场方程带入边界匹配条件中，消去场系数，可得色散方程环形电子将诱导产生一个倏逝场，该场作为入射场激发结构中的石墨烯SPPs，SPPs再转化为介质棒中的切伦科夫辐射场。在圆柱坐标系下求解以下非齐次亥姆霍兹方程可以得到倏逝场。其中：μ0是真空磁导率。运动电子的电流密度可表示为：Jz＝qv0δ(r-r0)/rδ(z-v0t)(6)其中：v0为电子运动速度，r0为环形电子的半径，q是运动电子沿圆周方向的线电荷密度。联立方程(5)和(6)，并利用傅里叶变换可以得到倏逝场：其中：kz＝ω/v0是倏逝波在z方向上的波矢，在有电子激发的情况下，边界条件变为：将场方程带入(8)可以确定所有的场系数。场系数得到后可以计算辐射频谱、场分布等辐射问题。附图说明图1为环形电子激发圆柱石墨烯覆盖介质棒结构XOY平面示意图；图中从内到外分别是介质棒、石墨烯和环形电子。图2中a为圆柱石墨烯覆盖介质棒结构中SPPs的色散曲线图，阴影部分为切伦科夫辐射区，色散位于该区域内SPPs可以转化为切伦科夫辐射，倏逝场电子线与色散曲线的交点为工作点，插图为有、无石墨烯的辐射强度谱，可以看到有石墨烯时，辐射为相干辐射，且辐射强度增强三个数量；图2中b为辐射场分布图，SPPs不仅沿石墨烯表面传播，而且转化为介质棒中的切伦科夫辐射。图3为不同介质棒半径下的辐射频率与石墨烯化学势和电子速度之间的关系图。可以看到通过调节介质棒半径、石墨烯化学势和电子速度可以在太赫兹频段内调谐辐射频率。具体实施方案实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆柱石墨烯表面等离子体波的切伦科夫太赫兹辐射源，它包含完全覆盖圆柱形介质棒的石墨烯带，所述圆柱石墨烯介质棒结构在圆周方向存在2π周期性，使得表面等离子体波色散可以穿过介质光速线，从而表面等离子体波在不需要波矢补偿结构情况下能与介质棒中的传输波波矢匹配。

【技术特征摘要】
1.一种基于圆柱石墨烯表面等离子体波的切伦科夫太赫兹辐射源，它包含完全覆盖圆柱形介质棒的石墨烯带，所述圆柱石墨烯介质棒结构在圆周方向存在2π周期性，使得表面等离子体波色散可以穿过介质光速线，从而表面等离子体波在不需要波矢补偿结构情况下能与介质棒中的传输波波矢匹配。2.根据权利要求1所述的一种基于圆柱石墨烯表面等离子体波的切伦科夫太赫兹辐射源，其特征还在于环形电子从圆柱石墨烯介质棒结构表面掠过将激发起表面等离子体波，在表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵陶，胡旻，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51