一种增强多色相干SPR器件及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种增强多色相干SPR器件及其控制方法。本发明专利技术采用金属复合光栅，对槽的深度进行周期性调制，在一个深度调制周期内包括m个深度不同的槽；自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，最多激发(m‑1)个辐射频率的多色相干SPR；一个深度调制周期中不同深度的槽中分布的谐振模式不同，高频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率；通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目；在电子束的工作电压变化的过程中，各个方向上的辐射具有频率锁定的特性；本发明专利技术将辐射频率提高到两个数量级，辐射效率较高；实现多个相干辐射频率，辐射结构简单，且不需要群聚电子束，易于在微型互作用电路中实现。

【技术实现步骤摘要】
一种增强多色相干SPR器件及其控制方法
本专利技术涉及史密斯-珀赛尔辐射技术，具体涉及一种增强多色相干史密斯-珀赛尔辐射SPR器件及其控制方法。
技术介绍
当自由电子束在金属周期结构表面飞过时，会激发一种自由空间辐射，又称为史密斯-珀赛尔辐射(Smith-Purcellradiation，SPR)，这种辐射在众多领域中具有广泛的应用。SPR是一种非相干的宽谱辐射，辐射强度较低，这些因素也限制了SPR的进一步发展，如何提高辐射强度并获得相干频谱的SPR也是近些年来一直研究的热点。目前实现相干频谱、高辐射强度的SPR主要是通过史密斯-珀赛尔超辐射(Super-SPR)来实现。Super-SPR是基于群聚的电子束团飞过金属周期结构表面实现。实现群聚电子束团的方式主要包括：一、利用调制的周期激光脉冲在光电阴极上激发出群聚的电子束团；二、利用周期结构表面的人工表面等离激元(spoofsurfaceplasmon，SSP)对直流电子束进行调制获得群聚电子束团。基于光电阴极实现群聚电子束主要应用于粒子加速器装置中，实验设备体积庞大，微型集成化困难。而基于SSP调制获得群聚电子束虽然可以在微型互作用电路上实现，但需要较长互作用电路，同时需要保证电子束在长距离传输过程中保持良好的聚焦特性，这在实验过程中难以实现。因此Super-SPR在实际实现过程中比较困难，需要寻找一种简单有效的互作用结构获得高辐射功率、相干的SPR。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种增强多色相干SPR器件及其控制方法。本专利技术的一个目的在于提出一种增强多色相干SPR器件。本专利技术的增强多色相干SPR器件包括：金属复合光栅；金属复合光栅的单周期长度为p，槽的宽度为a，对槽的深度进行周期性调制，深度调制周期为L，L为p的整数倍，即L＝mp，m为≥2的自然数，在一个深度调制周期内包括m个槽，槽的深度分别为h1～hm；自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，自由电子束的工作电压为U；根据单周期长度p、槽的宽度a、深度调制周期L，m个槽的深度h1～hm和自由电子束的工作电压为U，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散方程，确定色散线；电子束的色散线与金属复合光栅的色散线的交点为互作用点，当互作用点位于辐射区域时，激发出互作用点对应频率的空间辐射；根据辐射特性，整个色散空间划分为辐射区和非辐射区，金属复合光栅的色散线分裂成m个通带，其中频率最低的通带位于非辐射区域中，剩余(m-1)个通带在辐射区域非辐射区均有分布，因此，通过调节电子束的工作电压，使得最多有(m-1)个互作用点位于辐射区域，相应形成(m-1)个辐射频率的多色相干SPR；一个深度调制周期构成一个谐振腔，谐振腔中槽的深度不同；色散线描述了谐振腔的谐振特性，不同的通带代表谐振腔的不同谐振模式；不同深度的槽中谐振模式的分布不同，高辐射频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率；辐射角度与辐射频率有关；通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目。按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散关系矩阵M，大小为m×m，其中元素M(i，l)表示为：色散关系矩阵的行列式|M|为金属复合光栅的色散方程。其中，i＝1，…，m，l＝1，…，m，kzn＝kz+2nπ/L为n次空间谐波的纵向波矢，kz为纵向波矢，n次谐波分布在第n布里渊区中为n次空间谐波的波矢，k0＝ω/c＝2πf/c为自由空间波矢，c为真空中的光速，δ(i-l)为单位冲激函数，f为频率。电子束色散线的计算式为：ω＝vekz其中，ω＝2πf，kz为纵向波矢，ve为电子束的速度，e为电子电荷量，m0为电子质量，U为电子束的工作电压。深度为hi的第i个槽的主要谐振模式频率分量fm近似为：其中，d为对应的谐振模式。辐射角度θ与辐射频率fr的关系为：其中，n指的是互作用点位于n次谐波中。本专利技术的另一个目的在于提供一种增强多色相干SPR器件的控制方法。本专利技术的增强多色相干SPR器件的控制方法，包括以下步骤：1)设计金属复合光栅；金属复合光栅的单周期长度为p，槽的宽度为a，对槽的深度进行周期性调制，深度调制周期为L，L为p的整数倍，即L＝mp，m为≥2的自然数，在一个深度调制周期内包括m个槽，槽的深度分别为h1～hm；2)自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，自由电子束的工作电压为U；3)根据单周期长度p、槽的宽度a、深度调制周期L，m个槽的深度h1～hm和自由电子束的工作电压为U，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散方程，确定色散线；4)电子束的色散线与金属复合光栅的色散线的交点为互作用点，当互作用点位于辐射区域时，激发出互作用点对应频率的空间辐射；5)根据辐射特性，整个色散空间划分为辐射区和非辐射区，金属复合光栅的色散线分裂成m个通带，其中频率最低的通带位于非辐射区域中，剩余(m-1)个通带在辐射区域非辐射区均有分布，因此，通过调节电子束的工作电压，使得最多有(m-1)个互作用点位于辐射区域，相应形成(m-1)个频率分量的多辐射频率相干SPR通过调节深度调制周期中槽的个数；6)一个深度调制周期构成一个谐振腔，谐振腔中槽的深度不同；色散线描述了谐振腔的谐振特性，不同的通带代表谐振腔的不同谐振模式；不同深度的槽中谐振模式的分布不同，高频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率；7)辐射角度与辐射频率有关；8)通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目。其中，在步骤3)中，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散关系矩阵M，大小为m×m，其中元素M(i，l)表示为：色散关系矩阵的行列式|M|为金属复合光栅的色散方程。其中，i＝1，…，m，l＝1，…，m，kzn＝kz+2nπ/L为n次空间谐波的纵向波矢，kz为纵向波矢，n次谐波分布在第n布里渊区中为n次空间谐波的波矢，k0＝ω/c＝2πf/c为自由空间波矢，c为真空中的光速，δ(i-l)为单位冲激函数，f为频率。在步骤4)中，电子束色散线的计算式为：ω＝vekz其中，ω＝2πf，kz为纵向波矢，ve为电子束的速度，e为电子电荷量，m0为电子质量，U为电子束的工作电压。在步骤6)中，深度为hi的第i个槽的主要谐振模式频率分量fm近似为：其中，d为对应的谐振模式。在步骤7)中，辐射角度θ与辐射频率fr的关系为：其中，n指的是互作用点位于n次谐波中。本专利技术的优点：本专利技术采用金属复合光栅，对槽的深度进行周期性调制，在一个深度调制周期内包括m个深度不同的槽；自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，最多激发(m-1)个辐射频率的多色相干SPR；一个深度调制周期构成一个谐振腔，谐振腔中槽的深度不同；色散线描述了谐振腔的谐振特性，不同的通带代表谐振腔的不同谐振模式；不同深度的槽中分布的谐振模式不同，高频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率；辐射频率与辐射角度有关；通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目；在电子束的工作电压变化的过程中，各个方向上的辐射具有频率锁定的特性；相比均匀光栅上产生的SPR，本专利技术中的SPR可以将辐射频率提高到两个数量级，辐射效率较高；本专利技术中可以同时实现多个相干辐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强多色相干SPR器件，其特征在于，所述增强多色相干SPR器件包括：金属复合光栅；金属复合光栅的单周期长度为p，槽的宽度为a，对槽的深度进行周期性调制，深度调制周期为L，L为p的整数倍，即L＝mp，m为≥2的自然数，在一个深度调制周期内包括m个槽，槽的深度分别为h1～hm；自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，自由电子束的工作电压为U；根据单周期长度p、槽的宽度a、深度调制周期L，m个槽的深度h1～hm和自由电子束的工作电压为U，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散方程，确定色散线；电子束的色散线与金属复合光栅的色散线的交点为互作用点，当互作用点位于辐射区域时，激发出互作用点对应频率的空间辐射；根据辐射特性，整个色散空间划分为辐射区和非辐射区，金属复合光栅的色散线分裂成m个通带，其中频率最低的通带位于非辐射区域中，剩余(m‑1)个通带在辐射区域非辐射区均有分布，因此，通过调节电子束的工作电压，使得最多有(m‑1)个互作用点位于辐射区域，相应形成(m‑1)个辐射频率的多色相干SPR；一个深度调制周期构成一个谐振腔，谐振腔中槽的深度不同；色散线描述了谐振腔的谐振特性，不同的通带代表谐振腔的不同谐振模式；不同深度的槽中谐振模式的分布不同，高辐射频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率；辐射角度与辐射频率有关；通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目。...

【技术特征摘要】
1.一种增强多色相干SPR器件，其特征在于，所述增强多色相干SPR器件包括：金属复合光栅；金属复合光栅的单周期长度为p，槽的宽度为a，对槽的深度进行周期性调制，深度调制周期为L，L为p的整数倍，即L＝mp，m为≥2的自然数，在一个深度调制周期内包括m个槽，槽的深度分别为h1～hm；自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，自由电子束的工作电压为U；根据单周期长度p、槽的宽度a、深度调制周期L，m个槽的深度h1～hm和自由电子束的工作电压为U，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散方程，确定色散线；电子束的色散线与金属复合光栅的色散线的交点为互作用点，当互作用点位于辐射区域时，激发出互作用点对应频率的空间辐射；根据辐射特性，整个色散空间划分为辐射区和非辐射区，金属复合光栅的色散线分裂成m个通带，其中频率最低的通带位于非辐射区域中，剩余(m-1)个通带在辐射区域非辐射区均有分布，因此，通过调节电子束的工作电压，使得最多有(m-1)个互作用点位于辐射区域，相应形成(m-1)个辐射频率的多色相干SPR；一个深度调制周期构成一个谐振腔，谐振腔中槽的深度不同；色散线描述了谐振腔的谐振特性，不同的通带代表谐振腔的不同谐振模式；不同深度的槽中谐振模式的分布不同，高辐射频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率；辐射角度与辐射频率有关；通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目。2.如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件，其特征在于，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散关系矩阵M，大小为m×m，其中元素M(i,l)表示为：其中，i＝1,…,m，l＝1,…,m，kzn＝kz+2nπ/L为n次空间谐波的纵向波矢，kz为纵向波矢，n次谐波分布在第n布里渊区中为n次空间谐波的波矢，k0＝ω/c＝2πf/c为自由空间波矢，c为真空中的光速，δ(i-l)为单位冲激函数，f为频率。3.如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件，其特征在于，电子束色散线的计算式为：ω＝vekz其中，ω＝2πf为角频率，kz为纵向波矢，ve为电子束的速度，e为电子电荷量，m0为电子质量，U为电子束的工作电压，f为频率。4.如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件，其特征在于，深度为hi的第i个槽的主要谐振模式频率分量fm近似为：其中，d为对应的谐振模式，c为真空中的光速。5.如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件，其特征在于，辐射角度θ与辐射频率fr的关系为：其中，n指的是互作用点位于n次谐波中，ve是电子束的速度。6.一种如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜朝海，朱娟峰，包路遥，刘濮鲲，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11