[发明专利]一种可调谐切伦科夫辐射源

说明书

技术领域

本发明属于表面等离子体电子学，光电子学领域，涉及一种基于自由电子激励金属表面等离子体波并转化为切伦科夫辐射，工作在可见光及紫外频段的可调谐电磁波辐射源。

背景技术

发展实用，可调谐，小型化的太赫兹、可见光以及紫外线的相干电磁辐射源对现代科技的理论创新和技术进步具有重要意义，是当代世界科学研究的热点之一。从原理上讲，现有的太赫兹、可见光及紫外光源主要可以分为两类：基于光子学的气体激光器和半导体激光器，以及基于电子学的电子回旋脉塞和自由电子激光器。然而，它们均存在其原理或实际应用的局限性。其中，气体激光器产生的辐射不具有连续可调性，半导体激光器能够产生连续可调的电磁辐射，但是辐射功率低，不能满足某些特殊情况下科学研究的需求。回旋电子脉塞脉塞能够在毫米波，低太赫兹频段得到千瓦级的功率输出，但是要实现更高频率的电磁波输出同样存在原理上的限制(需要远远超出现有水平的极强磁场)。自由电子激光能够产生连续可调、大功率、覆盖从微波到x射线频段的电磁辐射。但是传统的自由电子激光器体积庞大，结构复杂，实现起来比较困难，因此未能得到广泛使用。基于切伦科夫辐射的自由电子激光器结构简单，近年来得到各国科学家的广泛重视，但是其通常工作频率都是在太赫兹频段以下，且需要兆伏甚至吉伏级的电子注工作电压，难以实现器件的小型化和集成。

理论与实验研究表明运动电子能在金属表面激励起表面等离子体波，特别当金属厚度比较薄时(小于金属中的趋肤深度δ_m)，金属薄层的两侧都有表面等离子体波的存在。由于表面等离子体波是一种表面波，其场沿垂直于金属表面的方向呈指数衰减。要利用表面等离子体波作为辐射源，需要解决的关键问题是如何将表面等离子体波转化为辐射场。

由于被运动电子激励的表面等离子体具有较高频率(从可见光到紫外)。同样能量的运动电子在不同金属表面可以激励起不同频率的表面等离子体波；在同一金属表面，不同能量的运动电子也将激励起不同频率的表面等离子体。如果能将表面等离子体波转化为辐射场，我们将可以通过改变电子的能量或改变金属的材料来得到可调谐的电磁辐射源。

切伦科夫辐射是指当电子的运动速度超过介质中光速时，在介质中产生的辐射。如果介质的折射率为n，而运动电子在介质中的运动速度与真空中光速比是β，则需要满足nβ＞1。这种情况的切伦科夫辐射具有以下性质：场主要集中在θ＝θ_c的锥体内，整个波以此锥面为边界形成一个冲击波；在一般情况下，介电常数(或折射率)随着频率的增大而减小，在一定频率下达到n(ω_m)β＝1，即达到临界值，此后切伦科夫辐射不再可以产生，所以ω_m可以称为最大频率。电子的运动速度和介质的特性决定了辐射的频率范围。因此传统切伦科夫辐射是宽频的辐射，不能进行频率的调谐。

发明内容

本发明提供一种表面等离子体波切伦科夫辐射源，该辐射源采用掠过金属层表的运动电子在金属层表面激励起表面等离子体波，然后将金属层表面激励起的表面等离子体波转化成切伦科夫辐射，从而产生从可见光到紫外的可调谐电磁辐射。本发明能够克服自由电子激光的电压高和体积大的缺点，同时克服了传统切伦科夫辐射辐射频谱宽、不可调谐的缺点，具有小型化、带宽窄、可调谐和低电压的特点。

本发明技术方案如下：

一种可调谐切伦科夫辐射源，如图1、2所示，包括电子枪1、介质圆环体3和沉积于介质圆环体3内表面的金属薄膜层4。所述电子枪1发射的电子束从介质圆环体3的空心圆柱内掠过从而在金属薄膜层4表面激发表面等离子体波。所述金属薄膜层4的厚度小于所述表面等离子体波在金属薄膜层4所用金属材料中的趋肤深度δ_m，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆环体3中。电子枪2所发射电子束的运动速度与真空中光速的比值β和介质圆环体3所用材料的折射率n满足切伦科夫辐射条件：nβ＞1，使得所述表面等离子体波能够透过金属薄膜层4到达介质圆环体3内并转化为切伦科夫辐射。