一种太赫兹高手性宽带扫描辐射源及其控制方法技术

技术编号：40545892 阅读：21 留言：0更新日期：2024-03-05 19:03

本发明专利技术公开了一种太赫兹高手性宽带扫描辐射源及其控制方法。本发明专利技术位于真空腔内，基于倏逝波的内在特性，实现了太赫兹频段的高手性宽带扫描辐射源；通过在支持人工表面等离激元的激励光栅的一侧设置耦合光栅，生成与SSP旋性一致的高手性太赫兹源，有效规避了太赫兹器件匮乏和太赫兹波强衍射的问题；本发明专利技术能够实现宽频带波束扫描功能，提升了系统的灵活性；结构组成简单，摒弃了冗杂的馈电网络，降低了系统的复杂度；自由空间辐射波的手性仅与激励光栅和耦合光栅的相对位置有关，使得辐射具有极高的手性程度和强大的鲁棒性；本发明专利技术在太赫兹频段高手性宽带辐射源领域具有显著的应用潜力；简便而高效，有望在各种应用场景中展现出卓越的性能。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太赫兹频电磁波领域，具体涉及一种太赫兹高手性宽带扫描辐射源及其控制方法。

技术介绍

1、手性性质(chirality)又称手征性，是一种不对称或旋性质，深深融入物理、化学和生物学等多领域现象的核心。在诸如量子计算、全息图、手性传感、通信和光电探测器等领域手性得到了广泛应用。目前已有多项研究探讨在光学频段通过超表面等手段产生高度手性辐射源，但在太赫兹频段实现高效且可调节的手性辐射源仍然是亟待开发的领域。

2、当前关于手性源的研究多依赖于超表面的特殊设计，结合光学准束缚态(quasi-bic)或自由电子辐射等特殊物理现象产生。然而，这些方法存在一些亟待解决的问题：首先，超表面结构设计复杂，确定一般结构后参数调节相对困难；其次，超表面结构频带基于谐振原理工作，仅能在谐振点附近工作，导致工作带宽狭窄，无法满足宽频带需求；第三，手性程度有限，目前报道中结合自由电子辐射的圆极化辐射最大圆极化程度仅为0.45；最后，调谐能力受限，现有研究大多基于超表面结构设计，只能实现部分角度定向辐射，难以实现连续可调功能。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种太赫兹高手性宽带扫描辐射源及其控制方法，基于倏逝波自旋动量锁定特性，本专利技术通过在激励光栅表面激励起表面等离激元，并在激励光栅的一侧设置耦合光栅，实现波矢匹配，成功地将强局附表面波耦合出来，形成高度圆极化的辐射。

2、本专利技术的一个目的在于提出一种太赫兹高手性宽带扫描辐射源。

3、本专利技术的太赫兹高手性宽带扫描辐射源包括：真空腔、金属基底、直流电子发射源、激励光栅、耦合光栅、金属收集极以及静磁场装置；其中，直流电子发射源、激励光栅、耦合光栅和金属收集极均设置在金属基底上并位于真空腔内；激励光栅包括多个沿着电子束运动方向一维周期性排布的激励单元，每一个激励单元为柱状，截面为矩形；在激励光栅的一侧设置耦合光栅，耦合光栅包括多个沿着电子束运动方向一维周期性排布的耦合单元，每一个耦合单元为柱状；耦合光栅的周期为激励光栅的周期的二倍，并且每一个耦合单元与激励单元的位置错开，沿传播方向每一个耦合单元位于两个激励单元的中间；激励光栅的一端为发射端口，相对的另一端为收集端口，在激励光栅的发射端口设置直流电子发射源，在收集端口设置金属收集极；静磁场装置提供均匀磁场，磁场方向沿着电子束运动方向，直流电子发射源、激励光栅、耦合光栅和金属收集极均处在均匀磁场中；

4、直流电子发射源产生带状直流电子束；带状直流电子束在静磁场装置提供的均匀磁场的作用下沿着激励光栅的表面飞行；在飞行过程中，激励光栅与自由电子结合，带状直流电子束携带的宽带倏逝波激励起人工表面等离激元(spoof surface plasmon，ssp)；带状直流电子束与ssp之间发生互作用，带状直流电子束的电流越高，互作用强度越大；作为倏逝波的ssp，电场分量存在天然相位差，使得ssp在传播中呈现自旋特性，ssp的自旋特性具有强鲁棒性，ssp的自旋特性仅与ssp的传播方向和衰减方向有关，ssp的传播方向、衰减方向和自旋方向形成一个右手三联体，根据ssp的传播方向和衰减方向，唯一确定ssp的自旋方向；位于激励光栅一侧的耦合光栅，引入波矢匹配条件；根据布里渊区折叠效应，当ssp的空间谐波波矢与自由空间波矢在辐射频段内匹配时，匹配的辐射频段内的空间谐波由强局附在表面的ssp转化为向自由空间辐射的自由空间辐射波；根据辐射关系，自由空间辐射波的辐射方向与对应的频率密切相关，激励光栅表面的ssp具有频率带宽，通过调节带状直流电子束的电压u，带状直流电子束与ssp的互作用频点发生偏移，从而调整辐射角度，实现通过改变电压调节向自由空间辐射的频率，从而达到波束扫描的目的；通过调控耦合光栅与激励光栅的相对位置，控制自由空间辐射波的手性，实现自由空间辐射波的手性调控；自由空间辐射波通过波矢匹配耦合辐射出，保留了自旋性并且无中间过程干扰，自由空间辐射波保持手性程度高；电子飞过激励光栅后撞击在金属收集极表面，由金属收集极收集。

5、激励光栅是在金属结构的外表面刻蚀有周期性的深度一致的方形槽，激励光栅的周期为p，相邻的两个激励单元之间的距离为a，激励单元的高度为hp，长度为lp；耦合光栅的高度为hc，直径为dc，耦合光栅与激励光栅之间的距离为gc，耦合光栅的周期为pc，是激励光栅的周期的两倍。激励光栅用于在太赫兹频段生成ssp，耦合光栅用于将强局附表面波转化为自由空间辐射波，在对这两部分进行加工的时候应该综合考虑加工的精度、难度、成本和能够实现的性能。由于此结构的工作在太赫兹波段，考虑到欧姆损耗和材料成本，激励光栅、耦合光栅以及金属收集极的材料采用无氧铜、铝、铝合金或银。考虑到太赫兹的波长位于0.01～1mm之间，激励光栅的周期p≤1mm，耦合光栅的周期pc≤1mm，耦合单元的截面形状为圆形，耦合单元的直径dc＝p；考虑到对ssp的有效局附性，0.3p≤a≤0.7p。耦合光栅的高度0.25mm≤hc≤0.5mm，耦合光栅的高度高于激励光栅的高度0.05mm～0.3mm；从而引入波矢匹配条件，使得局附在激励光栅表面的ssp转变为自由空间辐射波。

6、带状直流电子束的电压为u，电流密度为j；带状直流电子束携带的宽带倏逝波激励起ssp带状直流电子束的电流密度j越高，带状直流电子束与ssp的互作用强度越大，当带状直流电子束的电流密度j≥50a/cm2，带状直流电子束才能够在激励光栅表面成功激励起ssp。带状直流电子束在耦合光栅表面激励的ssp的极化特性不方便利用和提取，因此只考虑在激励光栅表面激励的ssp。

7、激励起的自由空间辐射波的手性与ssp的旋性是一致的，耦合光栅位于电子束传播方向的左侧，激励起的ssp的传播方向与电子束的传播方向相反，为反向波传播，ssp的旋性为左旋，因此自由空间辐射波的手性为左旋；同理，耦合光栅位于电子束传播方向的右侧，自由空间辐射波的手性为右旋。通过研究激励光栅表面的ssp的自旋特性，在电场具有右旋特性的激励光栅一侧引入耦合光栅，所辐射的空间自由波将具有右旋特性且手性程度高；而在电场具有左旋特性的激励光栅一侧引入耦合光栅，所辐射的空间自由波将具有左旋特性的同时兼具有高手性。因此，所激发的自由空间辐射的旋性与表面波对应区域的旋性是一致的，具有极强的鲁棒性。耦合光栅耦合单元的截面为圆形，否则圆极化程度会被削弱，激励光栅与电子束相互作用强，产生的ssp极性特征利于提取。

8、带状直流电子发射源包括发射源壳体、阴极和阳极；其中，发射源壳体的表面形状为矩形，发射源壳体的长度hs1满足0.5lp≤hs1≤lp；发射源壳体内设置阴极和阳极，阴极朝向激励光栅，阴极的长度hs2满足0.5lp≤hs2≤0.9lp；阴极和阳极之间施加电子束电压u。

9、金属收集极包括金属收集极壳体以及接地装置；金属收集极壳体的长度为lc，金属收集极壳体的长度lc满足0.5lp≤lc≤0.9lp，金属收集极壳体连接接地装置。

10、真空腔的侧本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种太赫兹高手性宽带扫描辐射源，其特征在于，所述太赫兹高手性宽带扫描辐射源包括：真空腔、金属基底、直流电子发射源、激励光栅、耦合光栅、金属收集极以及静磁场装置；其中，直流电子发射源、激励光栅、耦合光栅和金属收集极均设置在金属基底上并位于真空腔内；激励光栅包括多个沿着电子束运动方向一维周期性排布的激励单元，每一个激励单元为柱状，截面为矩形；在激励光栅的一侧设置耦合光栅，耦合光栅包括多个沿着电子束运动方向一维周期性排布的耦合单元，每一个耦合单元为柱状；耦合光栅的周期为激励光栅的周期的二倍，并且每一个耦合单元与激励单元的位置错开，沿传播方向每一个耦合单元位于两个激励单元的中间；激励光栅的一端为发射端口，相对的另一端为收集端口，在激励光栅的发射端口设置直流电子发射源，在收集端口设置金属收集极；静磁场装置提供均匀磁场，磁场方向沿着电子束运动方向，直流电子发射源、激励光栅、耦合光栅和金属收集极均处在均匀磁场中；

2.如权利要求1所述的太赫兹高手性宽带扫描辐射源，其特征在于，所述激励光栅的周期p≤1mm，耦合光栅的周期pc≤1mm，耦合单元的截面形状为圆形，耦合单元的直径dc＝p；

3.如权利要求1所述的太赫兹高手性宽带扫描辐射源，其特征在于，所述耦合光栅的高度hc满足0.25mm≤hc≤0.5mm，耦合光栅的高度高于激励光栅的高度0.05mm～0.3mm。

4.如权利要求1所述的太赫兹高手性宽带扫描辐射源，其特征在于，所述带状直流电子束的电流密度J越高，带状直流电子束与SSP的互作用强度越大，带状直流电子束的电流密度

5.如权利要求1所述的太赫兹高手性宽带扫描辐射源，其特征在于，所述带状直流电子发射源包括发射源壳体、阴极和阳极；其中，发射源壳体的表面形状为矩形，发射源壳体的长度hs1满足0.5lp≤hs1≤lp；发射源壳体内设置阴极和阳极，阴极朝向激励光栅，阴极的长度hs2满足0.5lp≤hs2≤0.9lp，lp为激励单元的长度。

6.如权利要求1所述的太赫兹高手性宽带扫描辐射源，其特征在于，所述，金属收集极包括金属收集极壳体以及接地装置；金属收集极壳体的长度lc满足0.5lp≤lc≤0.9lp，lp为激励单元的长度。

7.一种如权利要求1所述的太赫兹高手性宽带扫描辐射源的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在步骤6)中，自由空间辐射波是一种相干的切伦科夫辐射CR，依据CR的辐射关系，辐射主波束的辐射方向与辐射的频率点相关，在n次谐波工作时，波数和辐射方向与电子运动方向之间的夹角θ满足关系：

9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在步骤7)中，激励起的自由空间辐射波的手性与SSP的旋性是一致的，耦合光栅位于电子束传播方向的左侧，激励起的SSP的传播方向与电子束的传播方向相反，为反向波传播，SSP的旋性为左旋，因此自由空间辐射波的手性为左旋；同理，耦合光栅位于电子束传播方向的右侧，自由空间辐射波的手性为右旋。

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【技术特征摘要】

4.如权利要求1所述的太赫兹高手性宽带扫描辐射源，其特征在于，所述带状直流电子束的电流密度j越高，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜朝海，雷于露，朱娟峰，张子文，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：

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