140 GHz螺旋波纹波导小回旋行波放大器的研究

针对140 GHz回旋行波管,采用三折螺旋波纹波导作为慢波结构,通过色散特性分析优化螺旋波纹波导结构参数,达成了抑制模式竞争和扩展带宽的目的;依据布拉格衍射机理设计了输入耦合器,能够确保电子束有效流通以及信号稳定输入,且在136.5~144 GHz范围内,S_(21)>-0.5 dB。以小回旋电子注为激励源对该螺旋波纹波导回旋行波放大器进行了PIC仿真,当输入信号的频率为140 GHz、功率为50 W时,输出信号功率为223 kW,增益为36.49 dB;在134~142 GHz的频率范围时,输出功率在113~223 kW之间,3 dB带宽大于8 GHz。本文将螺旋波纹波导结构应用于140 GHz并取得了高增益和大带宽,对后续在更高频率的研究和工程应用具有较高的参考价值。

双频工作同轴双电子注回旋管的理论与实验研究（英文）

该文章研究双频工作同轴双电子注回旋管。数值计算和粒子模拟结果表明同轴双电子注回旋管可以同时工作在两个不同的频率,且由于两个电子注间的非线性耦合,高次回旋谐波所对应模式的功率显著增强。完成了双频工作的同轴双电子注回旋管的原理样管加工并进行了验证性实验,实验测得两个工作频率分别为0.11 THz和0.22 THz,输出功率20 k W,并提出了一种分离双频工作同轴双电子注回旋管中两个不同频率电磁波功率的方法。

介质镀膜空芯光纤在THz频段的传输特性

理论分析了介质镀膜空芯光纤在THz频段的传输特性，得出了该光纤的特征方程及模式分布。利用射线光学原理计算了介质膜材料为聚酰亚胺、介质膜厚度为0．05mm的光纤的衰减常数随介质膜内直径的变化情况。得出其主模在THz频段的衰减常数小于1dB／m，该值远小于相同内径的金属圆波导在这一频段的衰减常数。模拟计算了介质膜厚度为0．05mm、内径为1mm，金属膜内径为1.05mm的介质镀膜空芯光纤在0～1THz的S参数，模拟结果显示该光纤在TFHz频段有很宽的通带，且在通带内衰减常数小于0．5dB／m。可用于THz频段电磁波远距离传输。

THz光子晶体光纤的模式及色散特性分析

利用等效折射率法得到了光子晶体光纤的特征方程,该文讨论了光子晶体光纤在THz频段的模式分布及色散特性。结果发现:光纤包层空气孔间距固定,减小空气孔半径,包层等效折射率增大,高次模截止频率增大,色散最大值减小,零色散及最大色散对应的频率增大;包层空气填充率固定,增大空气孔半径,包层折射率增大,高次模截止频率增大,色散最大值增大,零色散及最大色散对应的频率减小。通过适当调节包层空气孔间距和空气孔大小,可在很宽的频带内实现单模、零色散THz波传输。

基于电子学的太赫兹辐射源

随着太赫兹科学与技术的发展,太赫兹辐射源研究受到越来越广泛的重视.本文对近年来常见的基于电子学的太赫兹辐射源进行综述,包括基于新型慢波结构真空电子器件的仿真设计与实验结果、基于电子回旋谐振脉塞的太赫兹辐射源和基于史密斯-帕塞尔效应的太赫兹辐射源的国内外研究近况,以及基于类等离子体光子晶体的太赫兹辐射源和固态太赫兹辐射源.对太赫兹辐射源在无线通信、成像探测、光谱探测和生物医学等方面的应用进行了展望.

高次谐波太赫兹回旋管的多模工作

为了发展大功率、实用性强的太赫兹辐射源,文中对太赫兹回旋管中多个二次谐波工作模式的注波互作用进行了理论和实验研究,分析不同参数下多个二次谐波工作模式单模振荡的条件.实验研究结果表明,在二次谐波工作状态下,通过调节工作磁场、电流等参数,在单管中实现了四个不同频率0.391、0.404、0.416、0.423 THz,千瓦级以上输出功率的太赫兹波辐射.

0.42 THz-TE_(17,4)回旋管高效准光模式变换器（英文）

针对0.42THz-TE_(17,4)模式回旋管研究了一种高效率准光模式变换器。该模式变换器由Densiov型辐射器、准椭圆镜和两个相位校正镜组成。采用了耦合波理论分析波导辐射器的工作机理,矢量绕射理论计算开口辐射器和反射镜面上的场分布,并运用KSA算法和相位解缠绕技术对相位校正镜面进行优化设计。通过编程计算得到的数值计算结果与软件模拟结果高度一致。结果表明从Denisov型辐射器辐出射的能量经过镜面系统聚焦校正之后,在输出窗处转化为标量和矢量高斯成分分别高于99.1%和97.3%的束斑,其能量转换效率高于97.4%。

迅猛发展的太赫兹科学技术——暨2013第38届国际红外毫米波-太赫兹会议报道

近年来,太赫兹科学技术的研究已成为国内外学术界最热门领域之一,发展十分迅猛,研究成果引起了广泛关注,在全世界范围掀起了太赫兹科学研究的热潮。国际红外毫米波-太赫兹会议是本领域内最权威、水平最高、历史最悠久的会议,体现该领域发展的最前沿方向。随着太赫兹科学技术的飞速发展,该会议不断向着太赫兹领域倾斜,2013年第38届国际红外毫米波-太赫兹会议重心已全面转向太赫兹领域,全方位展现了当今国际太赫兹科学技术研究进展。本次会议也引起了国际学术界高度重视,"Nature Photonics"在此次会议召开后1个月内即发表以太赫兹为主题的焦点期刊("Focus Issue"),对太赫兹领域研究进展进行报道。

石墨烯双曲超材料中的太赫兹渡越辐射

本文理论预期了一种中心频率可调、高功率密度的宽频太赫兹辐射。研究表明,该辐射来源于自由电子垂直穿过多层石墨烯-介质复合结构时激发的表面等离子体激元的相互耦合。数值计算结果表明,该辐射所需自由电子能量极低;辐射频率几乎覆盖了整个太赫兹频段,其中心频率可通过调节石墨烯化学势进行调谐;且由于表面激元的场增强作用,该辐射场强较普通渡越辐射大两个数量级以上。因此,本文所提出的机理有利于开发小型化的宽频可调片上太赫兹辐射源。

(Pb,La)TiO_3铁电薄膜的太赫兹时域光谱实验研究

利用THz时域光谱技术（THz-TDS）探测了制作在SiO2／Si衬底上的（Pb，La）TiO3铁电薄膜的频谱响应，获得了三种不同烧结温度的掺镧钛酸铅（PLT）薄膜的THz频谱。根据实验数据计算得到了PLT薄膜在0．2～3THz频段内的吸收系数、折射率和复介电常数，并对比了三种不同烧结温度的PLT薄膜的实验计算结果。实验结果表明，三种PLT薄膜在所测频段内均有较强吸收，且都在1．5THz处有一个明显的吸收峰，在2．25THz处有一个相对较弱的吸收峰。

真空电子太赫兹器件研究进展

太赫兹波因其具有电子学与光子学的特性,所以在深空探测、无损检测、通信及安检等领域有巨大应用潜力。近些年,太赫兹技术的迅猛发展离不开太赫兹真空电子器件的不断进步。由于尺寸共度效应及电子束发射性能的限制,这类器件在迈向更高频段过程中遇到了不小的困难。针对这些问题,研究人员通过改良高频结构、控制加工精度、制备更优性能的材料、更精准的计算手段等一系列措施进行解决。本文介绍几种主流小型化太赫兹器件研究过程中的解决方案及最新进展,最后根据现阶段发展情况总结未来可能会遇到的问题及解决方法。

0.42THz频率连续可调同轴回旋管

作为目前工作在太赫兹频段输出功率最大的辐射源之一回旋管的功率可达到数十千瓦.传统太赫兹回旋管一般为点频工作,难以满足动态核极化核磁共振等多方面技术需要。采用机械调节的方式,实现了带宽为2 GHz中心频率为0.42 THz二次谐波频率连续可调同轴回旋管.通过非线性理论分析发现,在不改变工作磁场条件下,在调节带宽范围内,可实现大于8 kW的功率输出.

高功率回旋管收集极的设计及其热分析

利用电子回旋脉塞理论计算电子枪的结构参数,采用粒子模拟软件对电子注的运动轨迹进行仿真分析和优化电子枪结构参数。为保证回旋管能够稳定高效地工作,利用多物理场方法,分析回旋管收集极的温度分布。在高功率回旋管的工作参数下,采用三维电磁场仿真软件(CST)粒子工作室与多物理场工作室,对收集极进行稳态热分析,收集极的局部最高温度为332℃。为降低收集极的温度,对收集极结构进行优化以改善收集极的散热方式,在电子束降落处增加散焦线圈以扩大电子束的散开面积,结合这两种方式,收集极的局部最高温度为252℃,表明这些方式对降低收集极的温度是有效可行的。

双共焦波导回旋行波管高频结构的电磁特性研究

研究了双共焦波导回旋行波管高频结构的电磁特性。根据惠根斯原理的光衍射理论,分析得出双共焦波导中的两类本征模式(叠加模和环形模)对应的截止频率和场分布情况。理论分析结果与商用仿真软件CST的仿真结果一致。其中用作回旋行波管工作模式的“反相叠加TE06模”的损耗明显小于其他模式,这种不同模式损耗不同的特性将有效抑制竞争模式带来的寄生振荡。双共焦波导的模式密度略大于传统单共焦波导的模式密度,但是明显小于圆波导的模式密度,因此双共焦波导适合用作回旋行波管的高频结构。

应用于动态核极化核磁共振系统的改进型传输线研究（英文）

基于几何光学理论和矢量衍射理论,设计了263 GHz DNP-NMR谱仪的改进反射镜系统,并进行了数值模拟.该系统包括两个波纹波导、一个抛物面镜和一个角度可调的相位校正镜.仿真结果表明,获得了聚焦良好的类高斯输出光束,其标量高斯模含量为99.90%,矢量高斯模含量为99.55%.只有通过调整相位校正镜的角度来匹配DNP-NMR样品,才能改变输出光束的方向.当输出光束方向在±15°变化时,标量高斯模含量约为99.57%,矢量高斯模含量约为98.97%.

基于光子晶体慢波结构的太赫兹返波管研究

研究了一种光子晶体的慢波结构,通过对该结构的色散、场分布和粒子模拟计算,设计和仿真了一个0.28-THz的带状注返波管。在阴极电流密度仅10 A/cm^(2)(最小可低于6 A/cm^(2)),电压12.5 kV,磁场0.5 T的情况下,该结构通过与带状电子注浸没式互作用,输出功率为435 mW。在此基础上,采用了LIGA加工技术制备了该慢波结构。研究表明,光子晶体结构能有效提高互作用效率和降低起振电流密度,有效提高太赫兹真空电子器件阴极的使用寿命,是提高太赫兹真空辐射源性能的一种有效途径。

426GHz回旋管准光模式变换器

采用几何光学模型研究并设计了一个由Vlasov矩形开口辐射器和两级曲面反射器组成的太赫兹回旋管准光模式变换器。利用几何光学理论对Vlasov型准光模式变换器进行了初步设计,采用矢量绕射理论对准光模式变换器进行了详细的分析并编写相应程序,最后结合具体设计参数,得到工作模式在模式变换器中的变换过程。模拟结果表明,太赫兹回旋管中的TE06模式在输出窗处被转换为能量集中的准Gauss波束,其效率为89.0%。

基于狄拉克半金属光栅中表面等离子体波的史密斯-珀塞尔相干多频太赫兹辐射

本文提出一种产生相干多频太赫兹辐射的物理机制,即利用电子注激发狄拉克半金属光栅加载介质基底结构中表面等离子体波并通过史密斯-珀塞尔效应和切伦科夫效应转化为辐射场。电子注可以同时激发起两种完全不同的表面等离子体波模式,分别是光栅缝隙内的腔体表面等离子体波模式和光栅表面的常规表面等离子体波模式,它们具有完全不同的激发条件和辐射特性,本文对其中的物理机制进行了详细分析。腔体表面等离子体波模式的色散决定于光栅材料和结构,调节光栅结构和电子注参数能够大范围调节辐射频率。两种表面等离子体波模式对辐射场均有极大的增强。因此,本文提出了一种产生相干、可调、高功率密度、覆盖整个波段的太赫兹辐射的物理机制。

Cavity design and linear analysis of 225 GHz frequency-quadrupling gyroklystron

This paper considers the frequency-quadrupling three-cavity gyroklystrons with successive frequency-doubling in each cavity.The cavities of 225 GHz frequency-quadrupling gyroklystron are designed with the scattering matrices method and the possible operating mode are discussed.With the point-gap theory,the starting currents of the possible operating modes and the potential parasitic modes in the output cavity are calculated.The optimal operating mode is proposed under consideration of the mode competition and the power capacity of the cavity.

Self-consistent nonlinear analysis of a frequency-quadrupling terahertz gyroklystron

This paper analyses a three-cavity frequency-quadrupling terahertz gyroklystron with successive frequencydoubling in each cavity with self-consistent nonlinear theory.The beam-wave interaction efficiency and the electron bunching process are studied.The variation of output efficiency with the length of drift tubes and output power and the variation of Ohmic loss with the length of output cavity are considered.Numerical simulations predict an optimal output efficiency of 1.8%,a power output of more than 2 kW and a gain of 33 dB after taking into account Ohmic losses when the frequency-quadrupling gyroklystron,driven by a 40-kV,3-A electron beam and 1 Watt input power,operates at 225 GHz.