双电子注激发亚波长孔结构中表面等离子体波产生太赫兹辐射的机理研究

We propose to develop THz radiation sources based on the interaction of electron beam and surface plasmon wave in the subwavelength holes array. We utilize the transimision characteristic of the structure to enhance the interaction of electron beam and surface plasmon waves. It will effectively decrease the strating current density and increase the efficiency of beam-wave interaction. Superradiation of subwavelength holes array is excited by the moduled electron beam, and the frequency of the radiation will be higher. Making use of the theoretical analytic and experimental research, the project will focus on the mechanism of the interaction of dual electron beam with subwavelength holes array and the coherent diffraction radiation in the subwavelength holes array with various parameters. Based on the theory and the computer simulation, the test experimental will carry on the 0.5-1THz frequency regime. The final purpose of this project is to develop a tunable practical THz vacuum electronic diffraction radiation device.

本项目提出采用双电子注与亚波长孔结构中表面等离子体波互作用产生相干太赫兹辐射的设想，充分利用亚波长孔阵列结构中表面等离子体波耦合特性，增强注波互作用，有望发展成为高效率的真空电子学太赫兹器件。本项目将采用理论分析、粒子模拟与实验相结合的方法，研究亚波长孔阵列结构中表面等离子体波的耦合特性以及与双电子注互作用的物理过程，探讨亚波长孔阵列结构中相干衍射辐射的物理机制。在理论分析和模拟研究的基础上，构建辐射频率0.5-1THz原理性实验装置，通过实验验证亚波长孔阵列结构和工作电流等参数对相干衍射辐射强度以及辐射频率的影响规律。本项目的研究成果对小型化真空电子学器件的发展具有重要的意义。

由于许多潜在的应用，太赫兹科学技术成为当前研究的热点。太赫兹研究中，太赫兹辐射源的研究是一个重点，这其中真空电子学太赫兹辐射源是一类非常重要的太赫兹辐射源。真空电子器件从微波频段向太赫兹频段推进的过程中，主要面临的瓶颈是：器件中部件尺寸变小加工困难；器件工作所需的电子注密度变高。基于此，本项目提出了利用双电子注与亚波长孔结构互作用产生太赫兹辐射，其优点是，电子注通过周期结构产生的Smith-Purcell超辐射能够提供倍频的辐射，而双电子通过亚波长空结构相互耦合，从而降低了起振电流。本项目研究了双电子注与亚波长孔结构互作用产生太赫兹辐射的机理，从理论分析、数值计算、粒子模拟软件仿真和测试实验四个方面对研究内容开展了全面的研究。通过基于经典电磁理论的推导和数值计算建立了完整的双电子注与亚波长孔结构互作用的解析解模型，通过该模型可以解析求出结构的色散、耦合阻抗，双电子注与结构互作用起振电流、饱和电流，和双电子注之间耦合的强弱等物理过程，利用这一模型开展数值计算，可以实现对各参量的快速调整。同时利用商业计算机粒子模拟软件，对整个物理模型进行了非线性仿真，仿真结果与理论推导吻合。基于此，我们设计了超辐射输出频率在0.2THz和0.6THz的器件，理论与仿真表明本项目提出的双电子注耦合可以大大降低起振电流。初步冷测实验结果与理论计算及仿真结果一致。研究结果表明，双电子注与亚波长孔结构的结合可以很好的缓解真空电子器件在太赫兹频段所面临的困难，双电子注通过孔结构耦合可以降低器件的起振电流，而利用倍频的超辐射机制可以提高器件的工作频率。通过本项目的研究所取得的成果对发展太赫兹真空辐射器件，乃至推动电子学太赫兹辐射源向更高太赫兹频段迈进具有重要的意义。