太赫兹波导的研究进展

太赫兹(THz)有丰富的科学内涵和独特的优越特性,在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐等多个领域具有重要的应用前景。由于水汽对THz波的强烈吸收,适用于不同应用需求的THz波导成为急需。根据不同需求并考虑各种不同结构及材料波导特有的优势与缺陷,扬长避短选取合适的波导将有利于发挥THz科学技术在科学研究、生产、生活中的应用特色。该文对现有THz金属空腔波导、金属线波导、介质波导和其他THz波导的研究情况进行了综述,以期展现当前THz波导的研究情况,开拓研究思路。

太赫兹科学技术及其应用的新发展

太赫兹科学技术是当前受到极大重视的交叉学科前沿,为人类社会发展提供了一个非常诱人的机遇。该文阐述了太赫兹波的优越特性及其在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面的重要学术和应用价值,以及对国民经济发展、国家安全、反恐和新一代信息科学技术发展的重大推动作用,介绍了世界太赫兹科技及其产业化发展情况,说明现代科技发展和应用的迫切需求使得该领域科学技术发展速度迅猛,也使太赫兹科学技术的发展呈现出基础研究、开发研究和产业化同步进行、相互融合、相互促进的新特点。

94GHz缓变结构回旋管设计与数值模拟研究

通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数,优化设计了一支94GHz光滑缓变结构回旋管,当电子注电压50kV,电流6A,横纵速度比1.4,工作磁场3.548 5T时,在频率94.099GHz处得到了41%互作用效率,约120kW的功率输出;与折变结构回旋管相比,缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27dB,注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。

亚波长金属光栅的衍射辐射特性研究

分析了亚波长金属光栅的双边衍射辐射机制和特性.利用运动电子激励亚波长光栅结构,研究了其产生的双边衍射辐射.通过三维粒子模拟软件仿真,得到了光栅上下空间的电场空间分布,结合结构辐射布里渊图,证明了亚波长对称光栅上下半空间的衍射辐射场分布同样可以由Smith-Purcell辐射公式来解释,即主要有电子运动速度和光栅周期决定,并分别研究了缝隙宽度、光栅厚度对上下半空间衍射辐射的影响.为进一步研究下半空间的衍射辐射场,采用了非对称的光栅结构,研究表明非对称光栅下半空间衍射辐射场不仅取决于电子运动速度和结构下表面的周期,同时也与电子运动激励起的上半空间的辐射频率范围密切相关.

高次模回旋管中的非工作模式抑制研究

将高次模回旋管中的竞争模式分为与工作模式角向指标相同的寄生模式和角向指标不同的暂态模式,选择TE32,5为0.4 THz高次模回旋管的工作模式,对不同类型的非工作模式抑制方法展开讨论。结果表明,针对寄生模式,通过优化设计光滑缓变结构的谐振腔来抑制;暂态模式可以通过精心选择工作模式,深入研究注波耦合系数和不同模式的起振电流,合理设置高次模回旋管电子注电压、电流、横纵速度比、引导中心半径等工作参数,使工作模式在某一工作磁场范围内起振电流最低而优先起振,从而抑制暂态模式起振。

8mm带状注扩展互作用振荡器研究

研究了采用带状电子束的周期加载矩形扩展互作用振荡器,分析该结构的优点、色散特性和耦合阻抗,并利用模拟软件进行了冷腔分析。设计出了工作波长为8mm的腔体结构,分析了工作模式为TM31模的场分布。按照冷腔设计结果进行了PIC粒子模拟,电压为19kV、电流为3A的带状电子束在纵向磁场为0.3T的约束下与腔体中的TM31模电磁波互作用。模拟结果表明,电磁波的输出波频率为37.9GHz,功率为3.5kW,验证了在该结构中带状注与高次模互作用的设计思想。

110 GHz回旋振荡管高频结构优化设计研究

基于广义传输线理论,得到描述谐振腔和注-波互作用特征参数的一阶传输线方程组;编写了冷腔和热腔模拟程序。利用自编程序和专业电磁仿真软件对同一折线渐变结构谐振腔的特征参数做模拟计算,证实了自编程序的可靠性。在工作模式选用TE22,6时,利用自编程序对两种110 GHz回旋振荡管谐振腔结构(折线渐变结构和圆弧渐变结构)中的模式纯度和注波互作用效率进行了模拟计算研究。结果表明,相对于折线渐变结构,圆弧渐变谐振腔的模式纯度可提高约4.7 dB,互作用效率提高约4%。在注电压96 kV,注电流40 A,互作用磁场约为4.41 T时,圆弧腔回旋振荡管在110.1 GHz输出功率超过1.9 MW,效率约为50%。

缓变回旋管谐振腔研究

在高次模回旋管中,模式竞争是亟待解决的问题.本文基于广义传输线理论,得到能准确描述缓变结构谐振腔模式耦合的一阶传输线方程组;通过分析耦合系数,优化得到了一种新型光滑渐变(缓变)谐振腔.与直线连接的(折变)谐振腔相比,该腔体有更强的模式抑制能力,腔中非工作模式归一化幅值可达-100 dB,输出行波段非工作模式归一化幅值可达-88.6 dB.

光整流法产生THz辐射转化率的理论分析

从理论上分析了超短激光脉冲在二阶非线性晶体中光整流效应产生THz辐射的过程,讨论了影响激光能量转换为THz辐射能量的效率的各种因素;入射激光脉冲宽度对转换效率影响非常大.对于一般二阶非线性晶体,当晶体厚度等于相干长度Lc时,光对THz的转换效率最高.对于周期性极化的非线性晶体,在忽略介质吸收的情况下,转换效率与介质厚度成正比.考虑介质对THz的吸收,晶体的有效长度Leff=0.63/α,再增大晶体长度,转化效率将没有明显增加,并最终趋于常数.