[發明專利]一種表面等離子體波切倫科夫輻射源

無效

• 申請號: 201110431589.7
• 申請日: 2011-12-21
• 公開（公告）號: CN102593692A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 劉盛綱;張平;劉維浩
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01S1/02
• 分類號: H01S1/02
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于電磁波輻射源技術領域，涉及一種電子學和光子學相結合的、將表面等離子體波轉化為切倫科夫輻射，工作在可見光到紫外的可調諧的新型電磁波輻射源。

背景技術

理論與實驗研究表明運動電子能在金屬表面激勵起表面等離子體波，特別當金屬厚度比較薄時(小于金屬中的趨膚深度δ_m)，金屬薄層的兩側都有表面等離子體波的存在。由于表面等離子體波是一種表面波，其場沿垂直于金屬表面的方向呈指數衰減。要利用表面等離子體波作為輻射源，需要解決的關鍵問題是如何將表面等離子體波轉化為輻射場。

由于被運動電子激勵的表面等離子體具有較高頻率(從可見光到紫外)。同樣能量的運動電子在不同金屬表面可以激勵起不同頻率的表面等離子體波；在同一金屬表面，不同能量的運動電子也將激勵起不同頻率的表面等離子體。如果能將表面等離子體波轉化為輻射場，我們將可以通過改變電子的能量或改變金屬的材料來得到不同頻率的電磁輻射源。

切倫科夫輻射是指當電子的運動速度超過介質中光速時，在介質中產生的輻射。如果介質的折射率為n，而運動電子在介質中的運動速度與真空中光速比是β，則需要滿足nβ＞1。這種情況的切倫科夫輻射具有以下性質：場主要集中在θ＝θ_c的錐體內，整個波以此錐面為邊界形成一個沖擊波；在一般情況下，介電常數(或折射率)隨著頻率的增大而減小，在一定頻率下達到n(ω_m)β＝1，即達到臨界值，此后切倫科夫輻射不再可以產生，所以ω_m可以稱為最大頻率。電子的運動速度和介質的特性決定了輻射的頻率范圍。因此傳統切倫科夫輻射是寬頻的輻射，不能進行頻率的調諧。

自由電子激光是利用高速電子束通過周期性擺動磁場產生光輻射。雖然自由電子激光具有可調諧、高效率，大功率等優點，但同時存在體積大、結構復雜、工作電壓高，需要周期性擺動磁場等缺點。

發明內容

本發明提供一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，該輻射源采用掠過金屬層表的運動電子在金屬層表面激勵起表面等離子體波，然后將金屬層表面激勵起的表面等離子體波轉化成切倫科夫輻射，從而產生從可見光到紫外的可調諧電磁輻射。本發明能夠克服自由電子激光的電壓高和體積大的缺點，同時克服了傳統切倫科夫輻射輻射頻譜寬、不可調諧的缺點，具有小型化、帶寬窄、可調諧和低電壓的特點。

本發明技術方案如下：

一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，如圖1、2所示，包括電子槍2、介質材料層4和沉積于介質材料層4表面的金屬薄膜層3。所述電子槍2發射的電子束從金屬薄膜層3表面上方掠過從而在金屬薄膜層3表面激發表面等離子體波；所述金屬薄膜層3的厚度小于所述表面等離子體波在金屬薄膜層3所用金屬材料中的趨膚深度δ_m，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層3到達介質材料層4中；電子槍2所發射電子束的運動速度與真空中光速的比值β和介質材料層4的折射率n滿足切倫科夫輻射條件：nβ＞1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層3到達介質材料層4中并轉化為切倫科夫輻射。

本發明通過在金屬薄膜層下方加載介質，當電子在金屬薄層表面上方運動，且電子的運動速度與真空中光速的比值β和介質材料層4的折射率n滿足切倫科夫輻射條件(nβ＞1)，在金屬/介質交界面的表面等離子體波(Surface?Plasmon?Wave/Surface?Polariton)將轉化為切倫科夫輻射(如圖3所示)，從而獲得表面等離子體波切倫科夫輻射源。現有的切倫科夫輻射為電子直接在介質中激勵起的輻射，是一種寬頻的輻射，不能進行頻率的調諧。與現有的切倫科夫輻射相比，本發明提供的表面等離子體波切倫科夫輻射源的輻射頻率由電子束與表面等離子體波的色散曲線的交點，即激勵起的表面等離子體波的頻率決定。通過改變運動電子的能量，可以改變激勵起的表面等離子體波的頻率，從而調諧電磁輻射源的頻率。因此，本發明提供的電磁輻射源具有窄帶寬(近似于點頻信號)、可調諧的特點。本發明提供的電磁輻射源可稱為“表面等離子體波切倫科夫輻射源”(Surface?Polaritons?Cherenkov?Radiation?Source，簡稱SPCRS)。