[發明專利]基于高次諧波產生法的自由電子激光太赫茲輻射源

有效

• 申請號: 201610035258.4
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105720460B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 何志剛;陸亞林;李偉偉;賈啟卡;王琳
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01S1/00
• 分類號: H01S1/00
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;趙鎮勇

本發明公開了一種基于高次諧波產生法的自由電子激光太赫茲輻射源，包括電子槍、輻射體和螺線管磁鐵；電子槍與真空管道相連接，輻射體置于真空管道內部，螺線管磁鐵包裹在所述真空管道外。輻射體存在由基模到高階模式的不同的模式，不同的模式對應不同的輻射頻率，通過選取輻射體的參數及電子能量，使得輻射體的高階模式的頻率為基模頻率的整數倍，即為基模頻率的諧波。采用了諧波增強的方法：即使得高階模式的頻率為基模頻率的整數倍。可利用參數要求很低的電子束以及大尺寸的波導來產生高功率、高頻率的THz輻射源。

技術領域

本發明涉及一種電子加速器、真空電子學技術，尤其涉及一種基于高次諧波產生法的自由電子激光太赫茲輻射源。

背景技術

太赫茲波是指頻率在0.1-30THz之間的電磁波，由于現有光源尚未完全覆蓋該頻段、故稱THz間隙(gap)。因其在生命科學，材料科學，通信技術以及國家安全等多個領域具有廣闊的應用前景受到國內外科學家的普遍關注。THz源是發展太赫茲科學的基礎，也是相關學科發展的主要瓶頸。

為了填補所謂的“THz間隙”，加速器、激光、真空電子學領域的研究人員作出了很多貢獻。基于電子加速器的THz輻射源有能力覆蓋整個THz波段，并且其峰值功率可到兆瓦以上。但是，由于其成本高昂、裝置龐大、需要大量的外圍支持設備，因此其應用范圍受到了很大限制。作為一個緊湊型的THz源，量子級聯激光器(Quantum-cascade-laser:QCL)也可覆蓋很寬的THz波段，對于不同頻率的THz，其功率從幾十微瓦到幾百毫瓦不等。其限制條件在于需要超低溫工作環境：零下200℃以下。真空電子學方面，有很多不同種類的THz輻射源，例如：返波管(backwards-wave oscillator)、調制器(klystron)、行波管(traveling-wave tube)、回旋管(gyrotron)等。其中以返波管和回旋管受到的關注最多。返波管輻射的THz功率從微瓦到百毫瓦不等，其在提高輻射頻率時，受到了起振電流密度高及極小尺寸的返波結構的限制。回旋管可以產生千瓦量級、輻射頻率在1THz左右的高功率輻射，但是其需要極強的磁鐵(幾十特斯拉)，在技術上難以實現。

基于慢波結構(例如：介質波導)的自由電子激光THz輻射源是另一種可以產生高功率THz輻射的技術。其簡要工作原理，以介質波導為例，簡述如下：介質波導根據不同的材料和尺寸、存在一系列的本征模式，高階模式對應更高的頻率；當電子束穿過波導結構時，相應頻率的模式將被激發出來(即尾場輻射)，其中以基模占主導地位；電子束將被自己激發出來的尾場進行能量調制(不同位置處的電子能量不同)，經過一段距離的相互作用，電子束將在基模頻率上實現群聚，從而使得該頻率的輻射得到相干增強，以此獲得高功率的輻射。為獲得更高頻率的基模輻射，要求介質波導的尺寸更小、同時要求電子束的流強及能量更高。例如：美國研究人員為獲得0.35THz的輻射，其采用了410千伏的電子槍加速獲得150安培的電流來激發介質波導獲得了10千瓦的功率。而410千伏的電子槍，其電源系統十分龐大，且只能工作于脈沖模式，不能連續發射，同時150安培的流強在技術上也同樣難以實現。因此，這個矛盾也成為限制該技術獲得大范圍推廣的主要因素。

發明內容

本發明的目的是提供一種高功率、高頻率的基于高次諧波產生法的自由電子激光太赫茲輻射源。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明的基于高次諧波產生法的自由電子激光太赫茲輻射源，包括電子槍、輻射體和螺線管磁鐵；

所述電子槍與真空管道相連接，所述輻射體置于真空管道內部，所述螺線管磁鐵包裹在所述真空管道外；

所述輻射體包括以下任一種：

介質波導、返波管、褶皺金屬波導、兩塊金屬平板組成的波導、兩塊包裹有金屬膜的介質平板組成的波導。