一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法。本发明专利技术采用真空电子学方法，将圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体，直接产生太赫兹涡旋波束，避免了太赫兹器件匮乏和太赫兹波强衍射的问题，将传统的太赫兹波束源和太赫兹波束转化为涡旋波束的两段结构集成在一起，直接构成太赫兹涡旋波束源；本发明专利技术只需要环形阴极和静磁场即可，不需要复杂的馈源电路；本发明专利技术所产生的太赫兹涡旋波束可以工作在超宽频带范围内；本发明专利技术能够实现在宽带范围内对太赫兹涡旋波束进行模式调谐和波束扫描；本发明专利技术所产生的涡旋波束的旋性仅与螺旋周期结构的旋性有关，所产生的涡旋波束具有很强的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法
本专利技术涉及涡旋波束技术，具体涉及一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源及其控制方法。
技术介绍
涡旋波束是一种具有螺旋相位波前的特殊的电磁波，它自被发现起已经引起了广泛的兴趣，并在光学操纵、电磁成像、传感以及通信等领域发挥重要作用。在太赫兹波段，涡旋波束同样可以被应用于太赫兹通信、超分辨率成像、光谱学探测、电子加速等领域。但是受制于太赫兹器件和太赫兹源的发展，如何在太赫兹波段高效的激发宽带可调谐的多模涡旋波束一直没有得到有效的解决。目前可以通过螺旋相位板、超表面、全息相位板、液晶、阵列天线等结构在太赫兹波段产生涡旋波束，但是这些方法均仍存在以下这些问题需要解决：一、结构的参数一旦确定后，器件所产生的涡旋波束的涡旋模式调节起来比较困难，不利于多模涡旋波束的应用；二、这些器件均操纵和转化已有的太赫兹波束，由于太赫兹器件的匮乏以及太赫兹波具有比较强的衍射效应，这些方法无法产生纯度较高的太赫兹涡旋波束；三、由于超表面结构是基于谐振原理工作的，因此它只能工作于谐振点附近，工作带宽窄；四、这些结构所激发的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源位于真空系统中，包括：环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅、环形金属收集极和静磁场装置；其中，沿着电子束运动方向，圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体；在圆柱光栅的头部发射端口设置环形直流电子发射源，在螺旋光栅的尾部收集端口设置环形金属收集极；静磁场装置提供均匀磁场，磁场方向沿着电子束运动方向，环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅和环形金属收集极处在均匀磁场中；圆柱光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的环形槽，周期为p，槽宽为a，外径和内径分别为R

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源位于真空系统中，包括：环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅、环形金属收集极和静磁场装置；其中，沿着电子束运动方向，圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅依次共轴连接成一个整体；在圆柱光栅的头部发射端口设置环形直流电子发射源，在螺旋光栅的尾部收集端口设置环形金属收集极；静磁场装置提供均匀磁场，磁场方向沿着电子束运动方向，环形直流电子发射源、圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅和环形金属收集极处在均匀磁场中；圆柱光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的环形槽，周期为p，槽宽为a，外径和内径分别为R1和R2，周期数为Q；金属圆柱的长度为L，外径为R1，与圆柱光栅的外径相同；螺旋光栅是在金属圆柱的外表面刻蚀周期性的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为p，槽宽为a，与圆柱光栅的周期和槽宽一致，外径与圆柱光栅的外径相同为R1，圆柱光栅的内径为R3，周期数为N；
环形直流电子发射源发射出环形直流电子束，电子束电压为U，电流密度为J；环形直流电子束在静磁场装置所提供的沿着电子束运动方向的均匀磁场作用下沿着圆柱光栅表面飞行；环形直流电子束附近的宽带消逝波将会在圆柱光栅表面激励起人工表面等离激元SSP，SSP的频率为f1，并且环形直流电子束会与SSP发生互作用；环形直流电子束的电流密度J越高，互作用强度越大，当环形直流电子束与SSP的互作用强度足够大时，环形直流电子束将以SSP的频率f1进行群聚，称为周期群聚的环形电子束；周期群聚的环形电子束经过金属圆柱传输至螺旋光栅，利用金属圆柱减少圆柱光栅与螺旋光栅之间SSP的耦合；周期群聚的环形电子束飞过螺旋光栅表面时，由于螺旋光栅具有螺旋性，根据螺旋光栅的布洛赫定理，环形电子束附近的宽带消逝波在螺旋光栅的衍射下将产生一系列携带涡旋性的空间谐波，携带涡旋性的各次空间谐波之间具有不同的波失，相邻的两个空间谐波之间相差的波矢为2π/p，每个空间谐波的频谱都是包含所有频点的；根据布里渊区折叠效应，当这些空间谐波的波矢与自由空间的波矢在辐射频段内匹配时，匹配的辐射频段内的空间谐波将转化为向自由空间辐射的涡旋波束；不同的空间谐波携带不同的涡旋性，不同的空间谐波所对应的辐射频段也不同，因此产生的涡旋波束的涡旋性与辐射频段是直接相关的；并且由于与螺旋光栅互作用的环形电子束是以圆柱光栅的SSP的频率f1群聚的，因此环形电子束附近的空间谐波的能量将会在SSP的频率f1及其n次工作谐波频率fn上得到显著的增强，fn＝nf1，n为工作谐波的阶数；当n次工作谐波频率fn位于辐射频段内时，在n次工作谐波频率fn处辐射的涡旋波束的强度会远大于其他频点的强度，产生一种工作在SSP的n次工作谐波频率fn的相干的涡旋波束辐射；这种辐射是一种相干的涡旋史密斯-珀赛尔辐射SPR，依据SPR的辐射关系，辐射的方向是与辐射的频率有关的，由于圆柱光栅表面的SSP具有一定的频率带宽，因此通过调节电子束电压U，能够改变所激励的圆柱光栅表面的SSP的频率f1，从而产生群聚频率不同的环形电子束，实现通过调节电压改变向自由空间辐射的涡旋波束的频率，达到涡旋波束扫描的目的；涡旋波束的涡旋性与螺旋光栅的手性一致；并且，通过调节电子束电压U，改变SSP的频率f1，导致n次工作谐波频率fn发生变化，n次工作谐波频率fn将位于不同的空间谐波的辐射区域内，由于每一个空间谐波的辐射区域对应不同的涡旋模式，从而实现控制辐射涡旋波束的涡旋模式。


2.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述金属圆柱光栅、金属圆柱、螺旋光栅以及环形收集的材料采用无氧铜无氧铜、铝、铝合金或银。


3.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述圆柱光栅和螺旋光栅的周期p≤1mm，外径R1＝p，槽宽a满足0.3p≤a≤0.7p，圆柱光栅的内径R2≤0.5R1，螺旋光栅的内径R3≤0.5R1。


4.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述环形直流电子发射源包括发射源壳体、环形阴极和环形阳极；其中，发射源壳体的表面形状为圆形，半径RC满足1.1R1≤RC≤2R2；发射源壳体内设置环形阴极和环形阳极，环形阴极朝向圆柱光栅，环形阴极的内径为R1，与圆柱光栅、金属圆柱和螺旋光栅的外径一致，环形阴极的外径Rcat满足1.1R1≤Rcat≤1.2R1；环形阴极和环形阳极之间施加电子束电压U。


5.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在于，所述环形金属收集极包括金属收集极壳体以及接地装置；环形的金属收集极壳体的内径和外径分别为R1和外径RS，外径RS满足1.1R1≤RS≤1.5R1，金属收集极壳体连接接地装置。


6.如权利要求1所述的太赫兹多模宽带调谐涡旋波束辐射源，其特征在...

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