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新型三反射镜准光腔及孔阵列结构太赫兹辐射源的基础研究

周玉聪  
【摘要】:在太赫兹科学技术发展过程中,太赫兹辐射源一直是亟待解决的关键问题之一。真空电子学太赫兹辐射源具有高功率、高效率、室温工作等特点,长期以来备受关注。随着工作频率的提高,线性电子注驱动太赫兹辐射源面临着结构加工困难、互作用效率和辐射强度降低、起振电流升高等问题。在此背景下,本论文主要探索研究三反射镜准光腔及孔阵列结构太赫兹辐射源,旨在以简单易加工的结构在低电流密度下获得高互作用效率和高辐射强度,为小型化紧凑型的中高功率太赫兹辐射源的研究和发展提供有益的参考和新的思路。本论文的主要研究内容及结果如下:1.本论文提出一维堆叠孔阵列结构(MSLS)。从理论和模拟研究了其色散特性、模式分布及其与方形电子注的互作用机理。该结构中能同时支持表面波模和体模。与表面波模场强沿表面垂直向外迅速衰减不同,体模在整个电子注区域都具有很强的场强,因而能与方形电子注有效互作用,该注波互作用效率及辐射场强相比传统光栅结构显著增强。此外,相比带状注电子枪和光栅结构,方形电子注电子枪和MSLS结构更易设计和加工,同时,方形电子注也远比带状注易成形,这将有效降低实验难度。2.在上述MSLS结构的基础上,提出三维堆叠孔阵列结构(MSLS阵列结构)。研究了其色散特性和模式分布,对结构中模式耦合做了较为详细的分析和阐述,并对其中多电子注与耦合波模互作用进行了模拟研究。多电子注能在结构中激发起场强很强的特殊分布耦合模式。由于多孔之间的模式耦合和多电子束之间的相互耦合,3×3阵列电子注与耦合波模互作用非常高效且能在极低工作电流密度(6A/cm2)下得到很强的辐射场(14.8kV/mm)。因此研究基于这种多电子注互作用机制的太赫兹辐射源,对于发展低起振电流密度、小型化、中高功率太赫兹辐射源具有重要意义和研究价值。3.本论文研究了线性预群聚自由电子基团激发封闭对称光栅相干高次谐波太赫兹衍射辐射及其激发开放圆柱光栅高次谐波Smith-Purcell太赫兹相干辐射。这两种辐射机制均能以较低电流密度获得较高频率的太赫兹辐射。可为紧凑型连续波太赫兹辐射源的发展提供思路。可以预期,基于此机制,1THz以上的连续波辐射源所需电流密度可以控制在50A/cm2以内,这将极为有利于相对高频率的真空电子学太赫兹辐射源的探索。4.本论文研究了三反射镜准光腔增强Smith-Purcell相干辐射。通过对腔体中的电磁特性进行详细的理论分析,得到腔体中的电磁场分布、腔体谐振条件以及腔体耦合输出口的设计要求;推导了腔体中的近似场表达式,对其做了相关数值计算,并与计算机模拟结果做对比,结果十分吻合;研究了圆柱光栅的色散关系和注波互作用,以及环形电子注激发圆柱光栅Smith-Purcell太赫兹相干辐射,并在此基础上,研究了三反射镜准光腔增强Smith-Purcell太赫兹相干辐射及其功率的耦合输出。三反射镜准光腔对于辐射的振荡和反馈作用使得Smith-Purcell相干辐射二次谐波频率纯度明显提高,并且使相干辐射场强和能量均得到显著增强。该研究能为电子注驱动圆柱系统下Smith-Purcell太赫兹相干辐射源的发展提供有效的思路,并为太赫兹辐射源的发展提供有益参考。


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