電子激勵(lì)微納結(jié)構(gòu)的衍射輻射及其在太赫茲中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，太赫茲科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展，而太赫茲輻射源技術(shù)作為其中的關(guān)鍵得到極大重視。本論文將從勻速運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)微納結(jié)構(gòu)的衍射輻射研究出發(fā)，探索一種將電子學(xué)與光子學(xué)相結(jié)合的方法來(lái)產(chǎn)生太赫茲輻射，并研究其中出現(xiàn)的一些新的物理現(xiàn)象和機(jī)制。
　　在研究勻速運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生輻射的過(guò)程中，本論文主要研究了如下方面的內(nèi)容并取得如下結(jié)果：
　　1．本論文探討了勻速運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的衍射輻射現(xiàn)象。利用運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，研究了

2、其產(chǎn)生的雙邊衍射輻射，結(jié)果表明亞波長(zhǎng)對(duì)稱光柵上下半空間的衍射輻射場(chǎng)可以由 Smith-Purcell輻射公式來(lái)解釋，即主要由電子運(yùn)動(dòng)速度和光柵周期決定，并分別研究了縫隙寬度、光柵厚度對(duì)上下半空間衍射輻射的影響。為進(jìn)一步研究下半空間的衍射輻射場(chǎng)，采用了非對(duì)稱的光柵結(jié)構(gòu)，研究表明非對(duì)稱光柵下半空間衍射輻射場(chǎng)不僅取決于電子運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)下表面的周期，同時(shí)也與電子運(yùn)動(dòng)激勵(lì)起的上半空間的輻射頻率范圍密切相關(guān)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)亞波長(zhǎng)孔陣列結(jié)構(gòu)，本節(jié)

3、具體分析了孔陣列的厚度、周期等參數(shù)對(duì)上下空間衍射輻射的影響。
　　2．本論文研究了勻速運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)亞波長(zhǎng)孔陣列加載介質(zhì)結(jié)構(gòu)（SHAM）的衍射輻射場(chǎng)。電子掠過(guò)陣列表面，激勵(lì)起了上下表面的表面波，在上半空間其表面波相速始終小于光速，因此該場(chǎng)無(wú)法輻射；在下半空間，由于介質(zhì)的出現(xiàn)，表面波的相速在一定條件下可以大于光速，因此其表面波將轉(zhuǎn)化為輻射場(chǎng)，其中-1次空間諧波將轉(zhuǎn)化為衍射輻射場(chǎng)，零次空間諧波將轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射。并且觀察到這兩種輻射在

4、下半空間形成干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)干涉斑點(diǎn)。亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)可以支持很強(qiáng)的表面波，而當(dāng)周期在10-1000微米時(shí)，激發(fā)的表面波的頻率正好位于太赫茲頻段，鑒于表面波的局域特性，將其轉(zhuǎn)化為輻射場(chǎng)可有助于新型太赫茲輻射源的探索研究。本論文研究了基于該機(jī)理的太赫茲輻射源，采用周期金屬圓環(huán)加載介質(zhì)結(jié)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)的表面波轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射，理論分析和仿真相結(jié)合進(jìn)行了詳細(xì)研究。
　　3．本論文研究了在電子平行金屬表面運(yùn)動(dòng)激勵(lì)的條件下，金屬與介質(zhì)界面的

5、表面等離子體波的色散關(guān)系等特性，分別討論了勻速電子在金屬塊和金屬薄膜上方運(yùn)動(dòng)激勵(lì)表面等離子體波兩種情況。并用粒子模擬仿真軟件，對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合金屬薄膜加載介質(zhì)結(jié)構(gòu)中電子激勵(lì)起的表面等離子體波可以轉(zhuǎn)化為切倫科夫輻射的機(jī)制，本論文進(jìn)行了金屬薄膜加載介質(zhì)結(jié)構(gòu)的具體研究。分析平板類型和圓柱類型的表面等離子體切倫科夫輻射源(SPCLS)。這種源可以產(chǎn)生從可見(jiàn)光到紫外頻段的可調(diào)諧電磁輻射，輻射功率密度可以達(dá)到108W/cm2。并且，它結(jié)構(gòu)

6、小，易于加工，可實(shí)現(xiàn)集成，對(duì)發(fā)展新型光源具有重要的實(shí)用價(jià)值和意義。
　　4．本論文研究了電子平行于光柵表面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的衍射輻射，分析驗(yàn)證了基于表面等離子體的 Smith-Purcell輻射增強(qiáng)效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)電子激勵(lì)起的表面波，因?yàn)樗念l率始終低于光柵結(jié)構(gòu)可以輻射的最低頻率閥值，所以無(wú)法在光柵表面被轉(zhuǎn)化為輻射場(chǎng)，而激勵(lì)起的表面等離子體波，其頻率主要由金屬的性質(zhì)和電子能量決定，通過(guò)改變光柵的周期，可以使它的頻率滿足光柵衍射輻射條件，從而可以