[发明专利]一种基于光子晶体与光栅组合的逆Smith-Purcell辐射源及产生方法

说明书

本发明公开了一种基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith‑Purcell辐射源及产生方法，逆Smith‑Purcell辐射源的结构包括电子枪、金属光栅和光子晶体，所述的电子枪设置在金属光栅一侧、所述的光子晶体设置在金属光栅的另外一侧，所述的光子晶体具有负折射特性。本发明将光子晶体与光栅结合，利用光子晶体负折射的特性，实现逆Smith‑Purcell(SP)辐射的作用，建立新型的太赫兹辐射源。

技术领域

本发明属于真空电子学技术领域，具体涉及一种基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith-Purcell辐射源。

背景技术

太赫兹波所处频段的特殊(介于光波与微波之间)，其产生方法可以分为两大类：电子学方法与光学方法。通过电子学方法获得的太赫兹源(如电子回旋管、反波管等)由于转换效率高，但只能产生太赫兹频段中的较低频段，调谐范围有限，难以用于产生高频段的太赫兹波。光学方法多采用参量振荡或差频的形式获得太赫兹波，如太赫兹气体激光器、光整流效应的THz波辐射源等，虽然相干性比好，可以产生1THz以上的太赫兹波，但太赫兹波功率较前者比较低。

发明内容

本发明为了提高THz辐射源的频率可调性，提高辐射波收集效率，减小辐射源体积，提供一种基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith-Purcell辐射源及逆Smith-Purcell辐射源的产生方法，把光子晶体与光栅结合，利用光子晶体负折射的特性，实现逆Smith-Purcell(SP)辐射的作用，建立新型的太赫兹辐射源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于光子晶体与光栅组合结构的逆Smith-Purcell辐射源，包括电子枪、金属光栅和光子晶体，所述的电子枪设置在金属光栅一侧、所述的光子晶体设置在金属光栅的另外一侧，所述的光子晶体具有负折射特性。

进一步地，所述的光子晶体为空气柱三角排列的结构。

更进一步地，所述的光子晶体的晶格常数a为630um，空气柱半径为0.45a。

进一步地，所述的金属光栅周期为118um，高100um，占空比为1:1。

进一步地，所述的光子晶体与光栅的厚度为500um，光子晶体与光栅之间的距离为375um。

本发明还提供一种逆Smith-Purcell辐射源的产生方法，包括：

首先利用SP公式计算出对应结构的SP频率范围，SP公式中，L为光栅周期，β为电子相对论速度与光速的壁纸，θ为观测点与电子运动方向的夹角，n为谐波次数；

再使用平面波展开法理论计算出光子晶体的能带结构与等频图，平面波展开在TM波的本征方程为：

其中k_//＝k_xe_x+k_ye_y，G_//＝b₁e_x+b₂e_y，为傅立叶展开系数，A(k_//|G_//)为列向量，k_//为波矢，本征方程的左边为一个关于对角线对称的正定矩阵，因此本征方程的所有特征根全部是正数，将看成是左边矩阵的特征根λ，所以

通过光子晶体的能带结构与等频图找出能够满足在SP频率范围内群速与波矢方向相反的部分，vg·k<0，即光子晶体中能够实现负折射的部分，再把具有负折射性质的光子晶体与光栅相结合，实现逆SP现象。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：