光子晶体与电子注波互作用的Cherenkov辐射机理及应用研究

This project proposes an idea of millimeter wave radiation from beam-wave interaction between photonic crystal structure based on Cherenkov effect. The slow wave structure is constructed by the periodic characteristic of photonic crystal. The radiation is generated by beam wave interaction with photonic crystal. The dispersion characteristics of photonic crystal slow wave system and the properties of the Cherenkov radiation are obtained by the theoretical analysis of the mechanism of the beam wave interaction, establishment of the related physical model , the linear, nonlinear and particle simulation method. Therefore, the development of high-frequency system, optimization of the system parameters and improving the output power and beam wave interaction efficiency effectively are carried out based on the slow wave properties. This project provides a design basis for a variety of high frequency system based on photonic crystal structure in later design. The research results and key technology of this project can provide a solid theoretical and technical basis for the development of novel photonic crystal millimeter and THz wave source.

本项目提出了在光子晶体结构中利用电子注与光子晶体结构互作用的Cherenkov效应产生毫米波辐射的设想，利用光子晶体本身具有的周期结构特性构建慢波结构，从而与电子注进行注波互作用后产生辐射。通过分析注波互作用的理论机理，建立相关的物理模型，并利用线性、非线性及粒子模拟等手段，分析探讨光子晶体慢波结构的色散特性及Cherenkov辐射的各项特性。在此基础上，研制高频系统，优化系统参数，有效的提高输出功率和注波互作用效率，为后期设计以光子晶体结构为基础的各种高频系统提供设计基础。本项目的研究成果及解决的关键技术，可以为发展光子晶体新型毫米波及THz波源奠定坚实的理论和技术基础。

基于真空电子设计的微波、毫米波及THz辐射源，一直以来被应用到国民生产、生活及国防军事等重要领域，本项目主要研究了光子晶体构造Cherenkov辐射源的各种机理及可行性。从理论方面研究了光子晶体色散特性与电子注互作用产生Cherenkov的可行性及机理，揭示了Cherenkov辐射在均匀介质、色散介质以及光子晶体中产生的机理。分析了金属光子晶体内部不同电子速度下产生Cherenkov辐射的现象，为后面设计基于Cherenkov辐射的金属光子晶体慢波结构提供了良好的理论基础。为理解电子注与光子晶体互作用的仿真及实验结果提供了理论依据。构建了基于金属光子晶体谐振腔结构组成的慢波结构，利用轮辐天线作为激励源，利用CST软件仿真模拟了等离子体填充的慢波结构的色散特性。基于激励技术分析了结构参数变化对等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性的影响。结果表明，等离子体密度、金属盘片内半径和周期长度等参数能够改变慢波结构的色散特性。同时分析轮辐天线激励的有效性。利用粒子模拟软件仿真了等离子体填充金属光子晶体慢波结构中注波作用的物理过程。结果表明，这种高频结构有较好的模式选择特性；等离子体填充有效增强这种高频结构中表面场，并使其角向分布更加均匀；等离子体填充使这种Cherenkov器件的功率和效率得到明显提高。开展了基于金属光子晶体慢波结构的Cherenkov辐射源的热测实验研究。完成了实验装置的加工及安装测试，详细介绍了实验原理及实验过程，并设计了等离子体填充的实验装置。实验结果表明，该Cherenkov辐射源的工作模式、频率与计算结果一致，实验测得的辐射功率和效率略低于粒子模拟结果。研究了新型的纯光子晶体构建的光子晶体微腔结构，利用光子晶体本身的色散特性与电子注进行互作用。通过分析光子晶体波导的色散特性、微腔结构参数对谐振频率的影响，使电子注与波导的Cherenkov互作用点与腔体谐振频率一致，从而达到利用Cherenkov辐射产生THz辐射的目的。研究了光子晶体中Fano共振产生的物理机理，揭示了能带相交于Fano共振之间的关系，通过分析不同类型的交点分析了不同Fano线性产生的原因。为设计光子晶体Fano共振结构提供了新的思路，打破了以往Fano共振需要非对称结构的习惯性设计方法。