电子驱动介质加载异常透射结构的太赫兹辐射源研究

Extraordinary transmission structure has become one of the key valuable researches in recent years, due to its unique features and a lot of potential applications. The method of plane wave excitation is usually used to investigate its properties, since this way is more convenient to reveal the transmission and reflection characteristics. However it can not study the radiation characteristics directly. In this project, we adopt the way of free electrons excitation to study the radiation characteristics of the extraordinary transmission structure with dielectric medium loading, and analyze the radiation phenomena, especially the surface wave is transformed into radiation. And then, based on this mechanism, a new kind of terahertz radiation source will be developed. First of all, by using particle-in-cell code to simulate the extraordinary transmission structure with dielectric medium loading, the radiation characteristics and the radiation conditions are studied, and the physical mechanism is revealed by combining theoretical analysis with numerical calculation. Then, based on the mechanism of surface wave transformed into radiation, the enhanced transmission are studied, and the way to enhance the surface wave will be explored. Finally, according to the mechanism of surface wave transformed into the terahertz band radiation, the THz radiation source models are given, and a series of theoretical analysis, numerical calculations and experimental verifications are accomplished.

异常透射结构具有独特的特性并存在很多潜在的应用，它已成为近年来国际上的一个极具价值的研究热点。在研究其性质时通常采用平面波激励的方式，这种方式比较方便揭示其透射和反射特性，但却无法直接研究其辐射特性。本项目拟采用自由电子激励的方式来研究异常透射结构的辐射特性，深入分析其中发生的一些新现象，特别是表面波转化为辐射场的现象，系统深入的研究物理机制并用于太赫兹辐射源的研究中。首先，采用粒子模拟仿真方法研究自由电子激励介质加载异常透射结构的辐射特点，探索辐射产生的条件和基本特性；同时结合理论分析进行数值计算，深入研究物理机制和规律。进而，基于表面波转化为辐射场的机制，研究太赫兹波段异常透射现象，深入探索增强表面波的方法。最后，完成基于太赫兹波段表面波转化为辐射场机制的辐射源设计，并完成一系列理论分析、数值计算和实验验证工作。

亚波长微纳周期结构具有异常透射等独特的电磁特性,在太赫兹到可见光波段具有重要的应用。随着微纳加工技术的进步，采用电子激励微纳结构的实验工作也越来越多，纳米尺度的微结构已被用于产生从太赫兹到可见光的辐射研究。其中，电子匀速运动激励具有纳米尺度周期的波导结构产生了可见光的辐射，电子激励光纤探头表面光刻的金属光栅结构产生的辐射和匀速运动电子激励半径350微米且内壁加载介质的波导结构产生太赫兹波段的切伦科夫辐射的工作均引起人们的广泛关注。由于亚波长周期结构可以支持很强的表面波，且当周期在10-1000微米时，激发的表面波的频率正好位于太赫兹频段，鉴于表面波的局域特性，将其转化为辐射场有助于新型太赫兹辐射源的探索研究。本项目深入分析电子激励异常透射结构发生的一些新现象，系统深入的研究了物理机制并探索了增强太赫兹辐射的方法，取得的成果如下：.（1）本项目采用运动电子作为驱动，理论分析研究太赫兹波段自由电子激励介质加载异常透射结构的辐射。研究了当电子的运动速度和介质的介电常数满足切伦科夫辐射条件，产生单频相干太赫兹辐射的具体机制。提出了一种基于电子驱动介质加载异常透射结构的太赫兹辐射源的新思路，并完成了一种圆柱亚波长结构太赫兹辐射源的设计。.（2）电子从亚波长周期结构上方掠过，电子和其镜像电荷构成偶极子，随着表面的周期变化，偶极子的极距也发生周期变化，从而产生辐射。本项目从增加偶极子振荡数目出发实现了增强电子激励微纳周期结构产生太赫兹辐射的方法。.（3）变化的电流将产生电磁辐射。从表面电流的角度出发，探索了通过调节运动电子在亚波长周期结构表面诱导的表面电流的分布，来实现对太赫兹辐射的频率和分布调节。.（4）实验验证了电子在周期微纳介质结构中，激励起切伦科夫辐射，并和周期结构的电磁模式相结合，从而得到太赫兹辐射。