一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源。包括光陰極微波電子槍、反射鏡、介質(zhì)加載波導(dǎo)和產(chǎn)生激光脈沖序列的激光設(shè)備。當(dāng)激光設(shè)備產(chǎn)生的激光脈沖串通過反射鏡照射光陰極微波電子槍的陰極表面時(shí)，產(chǎn)生電子脈沖串，光陰極微波電子槍的陰極射出的電子脈沖串通過微波電場(chǎng)加速后，穿過介質(zhì)加載波導(dǎo)，使得介質(zhì)加載波導(dǎo)的3個(gè)模式被電子脈沖串相干激發(fā)，從而得到3種不同頻率的太赫茲輻射，輻射頻率為1.0 THz以上。由于3種模式都被電子束相干激發(fā)，故3種不同頻率的THz輻射光均具有高功率；同時(shí)，由于波導(dǎo)的高階模式（TM02、TM03模式）對(duì)應(yīng)的頻率更高，故本發(fā)明的THz輻射源具有高頻率，且相比于其他基于電子加速器的THz 輻射源結(jié)構(gòu)更加緊湊。
【專利說明】
一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電子加速器領(lǐng)域，具體涉及應(yīng)用于太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的太赫茲輻射源。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)波是指頻率在0.1-30THZ之間的電磁波，其在物理學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、成像技術(shù)、通信技術(shù)以及國(guó)家安全等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的普遍關(guān)注。其中，為實(shí)現(xiàn)多色THz成像，要求光源能夠同時(shí)提供多種頻率的THz輻射。
[0003]為發(fā)展THz光源技術(shù)，激光、真空電子學(xué)、電子加速器領(lǐng)域的研究人員在近20年中進(jìn)行了不懈努力。光學(xué)領(lǐng)域，量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum-cascade-laser:QCL)可覆蓋很寬的THz波段，其功率從幾十微瓦到幾百毫瓦不等。真空電子學(xué)方面，返波管(backwards-waveoscillator)、調(diào)制器(klystron)、行波管(traveling-wave tube)、回旋管(gyrotron)等均可作為THz光源器件。基于電子加速器的THz輻射源具有超高峰值功率的特點(diǎn)。裝置規(guī)模和造價(jià)，決定了其覆蓋的THz波段范圍及其功率大小。而能夠同時(shí)輸出多個(gè)不同頻率的THz輻射的光源十分少見。
[0004]介質(zhì)加載波導(dǎo)根據(jù)不同的材料和尺寸、存在一系列的本征模式，高階模式對(duì)應(yīng)更高的頻率;當(dāng)電子束穿過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，相應(yīng)頻率的模式將被激發(fā)出來(即尾場(chǎng)輻射)。通過合理的選擇參數(shù)，高階模式的頻率可被設(shè)計(jì)為基模頻率的諧波。利用介質(zhì)加載波導(dǎo)的這種特性，一種基于高次諧波產(chǎn)生法的自由電子激光太赫茲輻射源的方法已被提出(中國(guó)發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)?201610035258.4)，其可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)模式的THz輻射。但是，其在產(chǎn)生高功率、高頻率的THz輻射時(shí)將面臨諸多挑戰(zhàn)。其原因在于:該方法的電子源為非相對(duì)論的低能電子(一般為百千伏左右)，為獲得高功率、高頻率的THz輻射，要求作為輻射體的介質(zhì)加載波導(dǎo)的尺寸很小，同時(shí)要求電子束的流強(qiáng)很高，而將高流強(qiáng)的低能電子束聚焦到很小的尺寸將面臨難以克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了同時(shí)產(chǎn)生多頻率、具備高功率、高頻率特點(diǎn)的THz光源，本發(fā)明提出了一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源。
[0006]—種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲福射源包括光陰極微波電子槍1、反射鏡3、介質(zhì)加載波導(dǎo)5和產(chǎn)生激光脈沖序列的激光設(shè)備；
光陰極微波電子槍I連接著真空管道的一端，介質(zhì)加載波導(dǎo)5設(shè)于真空管道的另一端內(nèi)，光陰極微波電子槍I和真空管道上均套設(shè)有螺線管聚焦線圈；
光陰極微波電子槍I的陰極和介質(zhì)加載波導(dǎo)5的入射口之間的間距為1.0-1.4米；
所述反射鏡3位于光陰極微波電子槍I和介質(zhì)加載波導(dǎo)5之間，反射鏡3距光陰極微波電子槍I的陰極之間的間距為0.5-1.35米，反射鏡3的反射面和光陰極微波電子槍I的陰極之間的夾角為2°-10°之間； 當(dāng)激光設(shè)備產(chǎn)生的激光脈沖串通過反射鏡3照射光陰極微波電子槍I的陰極表面時(shí)，產(chǎn)生電子脈沖串；通過光陰極微波電子槍I中的微波電場(chǎng)將其加速到相對(duì)論速度；電子脈沖串經(jīng)過介質(zhì)加載波導(dǎo)5時(shí)，介質(zhì)加載波導(dǎo)5的前3階模式將得到相干激發(fā)，從而得到3種不同頻率的太赫茲輻射，其第3階模式的輻射頻率為1.0 THz以上。
[0007]進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下:
所述光陰極微波電子槍I上套設(shè)有第一螺線管聚焦線圈2，與介質(zhì)加載波導(dǎo)5對(duì)應(yīng)的真空管道上套設(shè)有第二螺線管聚焦線圈4，對(duì)電子束進(jìn)行橫向聚焦以保證電子束半徑小于介質(zhì)加載波導(dǎo)5的管內(nèi)半徑。
[0008]所述介質(zhì)加載波導(dǎo)5為管狀，外表面設(shè)有金屬膜。
[0009]所述金屬膜材料為金、陰、銅。
[0010]當(dāng)介質(zhì)加載波導(dǎo)5的內(nèi)半徑為0.3mm，外半徑為0.37 mm，介質(zhì)材料為相對(duì)介電常數(shù)為9.8的氧化鋁時(shí)，前3階模式的頻率分別為:TMo1基模輻射頻率為0.3125 THz，TMo2、TM03模式的頻率分別為0.9277、1.5840 THz，高階模式的頻率基本為基模頻率的整數(shù)倍。
[0011]當(dāng)介質(zhì)加載波導(dǎo)5的內(nèi)半徑為0.4 mm，外半徑為0.5 mm，介質(zhì)材料為相對(duì)介電常數(shù)為8.5的超高頻陶瓷時(shí)，前3階模式的頻率分別為:TMo1基模輻射頻率為0.2347 THz，TM02、TM03模式的頻率分別為0.6935、1.1960 THz，高階模式的頻率也基本為基模頻率的整數(shù)倍。
[0012]本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面:
1.本發(fā)明多模式同時(shí)相干激發(fā)，可同時(shí)得到3種不同頻率的THz輻射。即通過合理選擇介質(zhì)波導(dǎo)的參數(shù)將介質(zhì)加載波導(dǎo)的TMQ2、TMQ3模式對(duì)應(yīng)的頻率設(shè)計(jì)為TMo1模式對(duì)應(yīng)頻率的整數(shù)倍，通過光陰極微波電子槍產(chǎn)生的、相對(duì)論性的、重復(fù)頻率為TMo1模式對(duì)應(yīng)頻率的電子脈沖串對(duì)介質(zhì)波導(dǎo)進(jìn)行激發(fā)，可以同時(shí)得到3種不同頻率的THz輻射光。其中多模式是指:介質(zhì)加載波導(dǎo)存在多個(gè)頻率不同的本征模式，TMo1、TM02、TMo3模式即為波導(dǎo)的第1、2、3階本征模式；同時(shí)相干激發(fā)是指:第1、2、3階模式將同時(shí)被電子脈沖串相干激發(fā)、輻射出于這三個(gè)模式頻率對(duì)應(yīng)的THz光。
[0013]輻射頻率高:輻射頻率為1.0THz以上，由于3種模式都被電子束相干激發(fā)，因此3種不同頻率的THz輻射光均具有高功率的特點(diǎn)；同時(shí)，由于波導(dǎo)的高階模式(TMQ2、TMQ3模式)對(duì)應(yīng)的頻率更高，因此本發(fā)明的THz輻射源具有高頻率的特點(diǎn)。
[0014]輻射功率高:體現(xiàn)于兩個(gè)方面:其一，采用高能電子束作為激發(fā)源、電子束本身的功率很高；其二，電子束采用THz重復(fù)頻率的脈沖串的方式，使得其出射的THz光為相干輻射。
[0015]結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊:相比于其他基于電子加速器的THz輻射源，本發(fā)明提出的方案結(jié)構(gòu)更加緊湊。(具體說明是指體積小)。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為電子束橫向尺寸及能量隨縱向位置的變化圖；
圖3為電子束在波導(dǎo)中的剖面分布及其相應(yīng)的相干頻譜圖；
圖4為模擬得到的電子束激發(fā)介質(zhì)波導(dǎo)產(chǎn)生的電磁福射的縱向電場(chǎng)分布以及其福射頻譜圖； 圖5為模擬得到的不同模式的縱向電場(chǎng)分布；
圖6為模擬得到的電子束激發(fā)介質(zhì)波導(dǎo)產(chǎn)生的電磁福射的縱向電場(chǎng)分布以及其福射頻譜圖(對(duì)于實(shí)例2的情況)；
圖1中序號(hào):光陰極微波電子槍1、第一螺線管聚焦線圈2、反射鏡3、第二螺線管聚焦線圈4、介質(zhì)加載波導(dǎo)5。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
[0018]實(shí)施例1
參見圖1，一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲福射源包括光陰極微波電子槍1、反射鏡
3、介質(zhì)加載波導(dǎo)5和產(chǎn)生激光脈沖序列的激光設(shè)備。
[0019]光陰極微波電子槍I連接著真空管道的一端，介質(zhì)加載波導(dǎo)5設(shè)于真空管道的另一端內(nèi)，光陰極微波電子槍I和真空管道上均套設(shè)有螺線管聚焦線圈；光陰極微波電子槍I上套裝有第一螺線管聚焦線圈2，與介質(zhì)加載波導(dǎo)5對(duì)應(yīng)的真空管道上套裝有第二螺線管聚焦線圈4，對(duì)電子束進(jìn)行橫向聚焦以保證電子束半徑小于介質(zhì)加載波導(dǎo)5的管內(nèi)半徑。
[0020]光陰極微波電子槍I的陰極和介質(zhì)加載波導(dǎo)5的入射口之間的間距為1.2米。
[0021]反射鏡3位于光陰極微波電子槍I和介質(zhì)加載波導(dǎo)5之間，反射鏡3距光陰極微波電子槍I的陰極之間的間距為I米，反射鏡3的反射面和光陰極微波電子槍I的陰極之間的夾角為5。ο
[0022]介質(zhì)加載波導(dǎo)5為管狀，外表面設(shè)有金屬膜，金屬膜材料為銅。當(dāng)介質(zhì)加載波導(dǎo)5的內(nèi)半徑為0.3 mm，外半徑為0.37 mm，介質(zhì)材料為相對(duì)介電常數(shù)為9.8的氧化招時(shí)，理論計(jì)算得到的前3階模式的頻率分別為= TMo1基模輻射頻率為0.3125 THz，TMo2、TMo3模式的頻率分別為0.9277、1.5840 THz，高階模式的頻率基本為基模頻率的整數(shù)倍。
[0023]本發(fā)明的具體工作原理詳細(xì)說明如下:
參見圖1，當(dāng)采用激光脈沖串序列通過反射鏡3照射光陰極微波電子槍I的陰極表面時(shí)，將產(chǎn)生由8個(gè)微脈沖組成、微脈沖之間間隔為3.25皮秒、微脈沖電荷量為20皮庫(kù)的電子脈沖串。電子脈沖串通過光陰極微波電子槍中的電場(chǎng)進(jìn)行加速、并通過第一螺線管聚焦線圈2和第二螺線管聚焦線圈4的聚焦后，模擬得到的電子束橫向均方根尺寸及束流能量隨縱向位置的變化情況，見圖2;在介質(zhì)加載波導(dǎo)5中心位置處電子束的剖面分布及其相應(yīng)的相干頻譜見圖3?？梢钥吹诫娮邮耐獍霃叫∮诮橘|(zhì)加載波導(dǎo)的內(nèi)半徑，可以保證電子束的通過；同時(shí)介質(zhì)加載波導(dǎo)5的前3階模式的頻率都處于電子束的相干頻譜中，將使得前3階模式被同時(shí)相干激發(fā)。
[0024]參見圖4，模擬得到的在介質(zhì)加載波導(dǎo)5內(nèi)部的縱向電場(chǎng)分布以及對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換得到的輻射譜，可以看到輻射譜中包含3個(gè)頻率，其數(shù)值與理論計(jì)算值基本吻合。對(duì)輻射譜進(jìn)行反傅里葉變換，可以得到特定頻率的縱向電場(chǎng)分布情況，如圖5所示，結(jié)合理論計(jì)算公式可以得到TMo1、TM02、TMo3模的輻射功率流分別為135、148、36千瓦。
[0025]實(shí)施例2
當(dāng)介質(zhì)加載波導(dǎo)5的內(nèi)半徑為0.4 mm，外半徑為0.5 mm，介質(zhì)材料為相對(duì)介電常數(shù)為8.5的超高頻陶瓷時(shí)，理論計(jì)算得到的前3階模式的頻率分別為:TMo1基模輻射頻率為0.2347THz，TMQ2、TMo3模式的頻率分別為0.6935、1.1960 THz，高階模式的頻率也基本為基模頻率的整數(shù)倍。由圖6可見，模擬得到的縱向電場(chǎng)分布以及對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換得到的輻射譜，可以看到輻射譜中也包含3個(gè)頻率，其數(shù)值與理論計(jì)算值基本吻合。結(jié)合理論計(jì)算公式可以得到TMtn、TMq2、TMq3模的輻射功率流分別為120、90、23千瓦。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲福射源，其特征在于:包括光陰極微波電子槍(I)、反射鏡(3)、介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)和產(chǎn)生激光脈沖序列的激光設(shè)備； 光陰極微波電子槍(I)連接著真空管道的一端，介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)設(shè)于真空管道的另一端內(nèi)，光陰極微波電子槍(I)和真空管道上均套設(shè)有螺線管聚焦線圈； 光陰極微波電子槍(I)的陰極和介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)的入射口之間的間距為1.0-1.4米； 所述反射鏡(3)位于光陰極微波電子槍(I)和介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)之間，反射鏡(3)距光陰極微波電子槍(I)的陰極之間的間距為0.5-1.35米，反射鏡(3)的反射面和光陰極微波電子槍(I)的陰極之間的夾角為2°-10°之間； 當(dāng)激光設(shè)備產(chǎn)生的激光脈沖串通過反射鏡(3)照射光陰極微波電子槍(I)的陰極表面時(shí)，產(chǎn)生電子脈沖串；通過光陰極微波電子槍(I)中的微波電場(chǎng)將其加速到相對(duì)論速度；電子脈沖串經(jīng)過介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)時(shí)，介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)的前3階模式將得到相干激發(fā)，從而得至IJ3種不同頻率的太赫茲輻射，其第3階模式的輻射頻率為1.0 THz以上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源，其特征在于:所述光陰極微波電子槍(I)上套設(shè)有第一螺線管聚焦線圈(2)，與介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)對(duì)應(yīng)的真空管道上套設(shè)有第二螺線管聚焦線圈(4)，對(duì)電子束進(jìn)行橫向聚焦以保證電子束半徑小于介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)的管內(nèi)半徑。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源，其特征在于:所述介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)為管狀，外表面設(shè)有金屬膜。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源，其特征在于:所述金屬膜材料為金、陰、銅。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源，其特征在于:當(dāng)介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)的內(nèi)半徑為0.3 mm，外半徑為0.37 mm，介質(zhì)材料為相對(duì)介電常數(shù)為9.8的氧化鋁時(shí)，前3階模式的頻率分別為:TMo1基模輻射頻率為0.3125 THz，TMo2、TMo3模式的頻率分別為0.9277、1.5840 THz，高階模式的頻率基本為基模頻率的整數(shù)倍。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多模式同時(shí)相干激發(fā)的太赫茲輻射源，其特征在于:當(dāng)介質(zhì)加載波導(dǎo)(5)的內(nèi)半徑為0.4 mm，外半徑為0.5 mm，介質(zhì)材料為相對(duì)介電常數(shù)為8.5的超高頻陶瓷時(shí)，前3階模式的頻率分別為:TMo1基模輻射頻率為0.2347 THz，TMo2、TMo3模式的頻率分別為0.6935、1.1960 THz，高階模式的頻率也基本為基模頻率的整數(shù)倍。
【文檔編號(hào)】H01S1/02GK106058618SQ201610349717
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】何志剛, 陸亞林, 李偉偉, 賈啟卡, 王琳
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)