线性群聚电子基团激发微纳周期结构高次谐波相干太赫兹衍射辐射研究

One of the most important areas of research in the THz region is the radiation sources. It has always been the main direction of Terahertz technology research in how to develop high-efficiency and compact THz radiation source. The compact Linear electron-beam-driven THz radiation source with low starting current density based on free electron diffraction radiation and scattering radiation is very important for the development and application of terahertz science and technology research. This program brings forward the research on linear modulated electron bunches exciting coherent high-order THz harmonic diffraction radiation, terahertz source based on such radiation mechanism can realize high-order harmonic working with low starting current density and single frequency output. Moreover, two-electron- beam interaction also can enhance the efficiency of such source. So this program plans to work on the mechanism of linear modulated electron bunches exciting coherent high-order THz harmonic diffraction radiation THz source and related science problems theoretically and experimentally. Our goal is to develop terahertz radiation source based on this mechanism with a current density less than 20A/cm2, operational frequency more than 0.3THz and output power in mW scale.

在太赫兹科学技术研究工作中，太赫兹辐射源是最核心的关键技术，也是最急待解决的科学问题之一，发展高效率、紧凑型太赫兹辐射源以满足应用需求，一直是太赫兹科学技术的主要研究方向。研究基于自由电子辐射和散射的具有低起振电流密度、小型化的新型太赫兹辐射源将会对太赫兹科学技术研究工作的发展和应用起到极大的推动作用。本项目在青年基金项目研究的理论、计算机仿真结果等阶段性成果基础上，提出线性群聚电子基团在微纳周期结构中激发相干高次谐波衍射辐射产生太赫兹的研究，基于该辐射机制的太赫兹源可工作在高次谐波从而能大幅降低起振电流密度，且具有单一工作模式的特点，此外，采用双电子束还能有效加强高次谐波辐射效率。因此本项目拟从理论和实验两个方面详细研究基于该机制的太赫兹辐射源的机理及相关科学问题。最终研制出基于该机理的带状束工作、电流密度小于20A/cm2，工作频率大于0.3THz，输出功率在mW量级的太赫兹辐射源。

在太赫兹科学技术的研究工作中，太赫兹辐射源是最核心的一项瓶颈技术，也是最亟待解决的科学问题之一。线性电子束驱动的太赫兹源是该方向的主要实现途径之一。但是随着工作频率的增高，使得该辐射源出现起振电流大幅增加、互作用效率急剧降低等系列性问题。如何提高电子束驱动的太赫兹辐射源高次谐波转换效率、降低电子束起振电流密度一直是该方向重要科学技术难题。.（1）课题组提出多电子束团激发三维等离子体晶体多模式耦合产生增强太赫兹辐射的机理。有效的将孔阵列中孔与孔之间的模式耦合起来，形成了具有耦合阻抗高、表面局域场幅值强的电磁模式，多电子束通过与耦合模式的互作用以及电子束间的互耦，大幅提高了电子束与波间互作用的效率。在此基础上设计、研究出工作频率大于0 .3THz、辐射功率大于1mW的太赫兹源。.（2）课题组提出基于错位双电子注预群聚电子团与孔阵列微纳结构互作用产生增强太赫兹高次谐波辐射机理。通过运用错位双电子注预群聚基团中偶次谐波增强、奇次谐波被抑制的特点，通过其与人工微结构中互作用后，实现了二次谐波太赫兹相干辐射增强现象，大幅的提高了由电子束激发高次谐波太赫兹辐射的效率和输出功率。.（3）课题组提出将旋转准光腔的两个面结合圆柱状光栅的表面，形成了特殊的新型三反射镜谐振系统，运用环状电子注激发圆柱光栅的SP效应，通过SP超辐射将电子束的空间电荷波通过耦合辐射以固定角度在特殊三反射镜中进行谐振，不断加强辐射场能量同时通过镜面反射给电子注区域，极大的提高了电子束驱动的辐射源效率。.（4）本项目共发表SCI收录论文29篇，1区论文2篇，2区论文11篇。本项目共申请中国发明专利9项（授权3项），美国发明专利2项（授权2项）。本项目组成员共参加国际学术交流5次，其中项目负责人共进行特邀报告4次。课题组2015年发表在Journal of Physics D上关于多电子束激发三维孔阵列复合套叠结构太赫兹辐射机理的论文的论文被Journal of Physics D杂志选为当期杂志的封面图。