基于无阈值切伦科夫辐射的片上自由电子光源

Cherenkov radiation (CR) is the electromagnetic radiation emitted by a moving charge passing through a dielectric medium with a velocity above a certain threshold. The electron energy threshold to generate CR in natural medium is higher than hundreds of keV. Although various effects were adopted, the high-energy electrons (1.5keV@visible regime, 300keV@ extremely ultra-violet regime) are still required to generate CR experimentally. .This project proposes to study the CR in hyperbolic metamaterial (HMM) aiming at eliminating the threshold of CR and demonstrating the integrated free electron light source. For the hyperbolic iso-frequency contour (IFC) of HMM, evanescent electromagnetic (EM) field of electron bunch could be converted to propagating wave. Thus, eliminating the threshold of CR based on HMM is promising of breaking the bottle neck of achieving free electron laser on a chip. This project would like to study the characteristics of CR in HMM under the excitaiton of low energy electron bunch (0.1keV), the mechanism and features of wave vector, power flow, how to get breakthough from the design to the key techniques and how to realize the first integrated extremely ultra-violet light source.

切伦科夫辐射(Cherenkov Radiation, CR)是带电粒子的运动速度大于电磁波在媒质中相速度时所产生的辐射。传统产生CR需要带电粒子能量达到几百千电子伏特。尽管不同效应被用来降低产生CR所需的电子能量，但在实验中产生可见光频段CR最低仍需1.5keV（极紫外需300keV）。.本项目通过研究双曲超材料中切伦科夫辐射来消除产生辐射所需阈值，并基于此机制研制出片上全集成的自由电子光源。双曲超材料由于其双曲线型色散曲线可以对电子周围消逝场转化为传播场，实现对自由电子能量的提取。因此借助双曲超材料来突破产生CR电子速度限制，为实现片上全集成的自由电子辐射源提供了可能。本项目将针对低电子能量下（0.1keV）电子束在双曲超材料中CR的产生、传输和耦合的特性，CR在双曲超材料中波矢压缩、能流密度的规律，力争通过理论创新、工艺实现到测试技术方面取得关键性突破，实现首例片上全集成极紫外光源。

切伦科夫辐射(Cherenkov Radiation, CR)是带电粒子的运动速度大于电磁波在媒质中相速度时所产生的辐射。传统产生CR需要带电粒子能量达到几百千电子伏特。尽管不同效应被用来降低产生CR所需的电子能量，但在实验中产生可见光频段CR最低仍需1.5keV（极紫外需300keV）。.通过本项目的研究，得到如下成果。.（1）提出并证明了拓扑态突变的自由电子辐射拥有更低辐射阈值、更高辐射功率密度辐射特性，使自由电子辐射不在依赖材料介电常数，而是取决于材料由传统介质材料到双曲超材料的突变点。.（2）研究了拓扑态突变点处的辐射场强与电子速度、材料突变特性的关系，研究了辐射波矢与坡印廷矢量随频率关系，阐述了在拓扑态突变点的辐射波矢与坡印廷矢量角度可从0~180°可调；研究了辐射功率与电子速度关系，并在紫外频段从理论和仿真进行验证，相对于双曲超材料中自由电子辐射，辐射功率密度可提升2~4倍；在可见光频段研制出无阈值切伦科夫辐射器件。.（3）开展基于拓扑态突变新机理自由电子辐射高功率微波源研制，辐射功率达5MW，辐射功率相对于传统典型磁控管提升约5倍，已在型号中实装应用3台套。.通过本项目的实施，不但掌握了曲超材料与自由电子能量耦合机理、特性，相关微纳结构制备工艺、测试技术，提出了拓扑态突变自由电子辐射源新机理，并研制出了辐射功率达5MW自由电子辐射源，更是为未来新型高功率电真空装备发展奠定了理论和实验基础。该项目共发表学术论文5篇，其中 SCI文章 4篇，其中第一标注1篇 SCI 论文，发表在Journal of Applied Polymer Science、Optics Express、Advanced Functional Materials。此外，申请国家发明专利5项。