带有亚波长孔阵列结构的新型太赫兹EIA的机理研究

A high frequency system combining the sub-wavelength holes array structure into a grating or ladder circuit is proposed to improve the performances of the terahertz extended interaction amplifier（EIA）. By combining theoretical analyses, 3D particle in cell simulations with principle experiments, the characteristics of the transmission, dispersion and field distribution of surface plasmon polaritons (SSPs) mode excited above the surface of the structure will be analyzed. The physical mechanism of the enhanced surface electric field of the SPPs and increased coupling impedance will be explored. The physical process of wave interacting with the sheet beam by the coupling of the holes will be investigated. The mechanism of the novel EIA to improve the performances of radiation sources, including reducing the density of the operating current, increasing the gain and broadening the bandwidth will be analyzed. In order to increase the gain and output efficiency of the device, the output section with ladder circuit is exploringly adopted. On the basis of the sufficient researches above, a principle experiment device of with the 0.23THz center frequency will be designed and the principle experiment will be implemented to obtain radiation signal with a gain of ∼20dB, bandwidth of ∼0.5 GHz, and efficiency of ∼1%. Consequently, this project has an important theory and practical application value. It will lay a theory and technology foundation for the development of the high performance terahertz radiation sources.

本项目提出了一种亚波长孔阵列结构与传统光栅或梯形线结构相结合的高频系统改善太赫兹扩展互作用放大器（EIA）性能的新设想。通过理论分析、粒子模拟仿真与实验研究相结合，分析亚波长孔阵列高频系统中仿表面等离子体激元（SPPs）波的传输、色散及电场分布特性；探讨孔阵列结构中SPPs波增强光栅表面电场强度的物理机理以及提高高频系统耦合阻抗的技术途径；通过粒子模拟技术深入研究注波互作用的物理过程及机制；掌握新型高频系统改善EIA性能，如降低工作电流密度、增加带宽的物理途径。为进一步提高器件增益，提高耦合输出效率，探讨利用梯形电路结构作为EIA的输出段。在此基础上，设计中心频率0.23THz的原理性实验装置，并开展实验研究，获取增益大于20dB、带宽大于0.5GHz的输出信号。因此，本项目的实施将具有重要的基础理论及实际应用价值。课题研究成果将为发展太赫兹频段高性能的真空电子学放大器奠定理论和技术基础。

本项目研究了一种亚波长孔阵列结构与传统光栅或梯形线结构相结合的太赫兹扩展互作用放大器（EIA）。通过理论分析、粒子模拟仿真与实验研究相结合，分析了亚波长孔阵列高频系统中仿表面等离子体激元（SPPs）波的传输、色散及电场分布特性；探讨了孔阵列结构中SPPs波增强光栅表面电场强度的物理机理以及提高高频系统耦合阻抗的技术途径；优化设计了注波互作用三维粒子模拟模型，通过粒子模拟软件深入分析了注波互作用的物理过程，采用CST三维粒子模拟软件对 EIA 进行了热腔分析。根据输出功率、带宽等要求，模拟分析了高频系统与电子注等工作参数对EIA 特性的影响;优化设计了梯形线-亚波长孔阵列结构物理模型，并采用了横截面形状为梯形的亚波长孔进行高频系统的结构设计。在对梯形线-梯形亚波长孔阵列结构理论分析与仿真研究的基础上，优化设计了EIA的输入、输出腔及中间腔的高频系统;为进一步改善器件性能，提高器件增益与耦合输出效率，分析研究了不同结构的EIA；探索研究了不同频段耦合腔链慢波电路——矩形腔体梯形线结构的EIA高频特性，分析发现单交错耦合梯形线比直线式耦合结构具有更宽的频带。掌握了新型高频系统改善EIA性能，如降低工作电流密度、增加带宽的物理途径。在此基础上，仿真设计了片状电子枪，加工了片状聚束电子枪；设计加工了永磁聚焦磁场等电子光学系统组件；构建了EIA的原理性实验装置，进行了原理性试验研究, 测试了阴极的发射密度及电子注的流通情况, 获得了阴极发射密度大于8A/cm2，电子注流通率大于90%，获取了输出信号。因此，本项目的实施将具有重要的基础理论及实际应用价值。课题研究成果将为发展太赫兹频段高性能的真空电子学放大器奠定理论和技术基础。