專利名稱:一種分布作用太赫茲振蕩器的制作方法
技術領域:
本發明涉及太赫茲(THz)電磁波源技術領域,是一種返波分布作用太赫茲振蕩器
ο
背景技術:
近年來,人們對THz領域的研究在國內外都引起了極高的熱情。原因之一是許多遙遠的星體都輻射THz頻段的電磁波,以被動方式觀察星體輻射的射電天文望遠鏡需要 THz電磁波源作為本振源。原因之二是許多物質的吸收峰在THz頻段,因此THz電磁波在物質特性、化學動力學及原子或分子內能量劃分與能量流動問題的研究方面存在大量機會。 例如利用THz傳輸和遠紅外頻譜儀可以研究溶解的HCI的旋轉吸收譜。最后一個原因是軍事和氣象觀測應用,有文獻報道了一種工作于W波段的星載成像雷達。無論要把太赫茲(THz)電磁波應用于何種用途,緊湊高效的THz電磁波源是根本。 目前正在研究中的THz輻射源有固態振蕩器、量子級聯激光(QCL)、遠紅外氣體激光、激光驅動THz輻射器、各類自由電子激光(FEL)、微制造技術THz輻射器及返波管等傳統電真空器件。這些電磁波源從工作原理上可以分為如下幾類(1)半導體THz源(包括THz量子級聯激光器等);⑵基于光子學的THz發生器;(3)基于高能加速器的THz輻射源;(4)利用自由電子的THz輻射源(包括THz真空器件,電子回旋脈塞和自由電子激光)。不同的用途對THz源可能提出不同的要求。有的要求輸出功率較大,有的要求有較合適的頻率。分如下幾個方面介紹一下THz電磁波源的國內外現狀1、半導體太赫茲源固態THz源具有小巧、價格低廉和頻率可調的特點,是人們希望的一種THz源。但半導體器件的工作頻率難于達到ITHz以上,而半導體THz激光器,特別是THz量子級聯激光器是目前的發展重點之一。第一篇關于量子級聯激光的文章由Melvin Lax等發表于 1960年,其后于1994年起,Bell實驗室的J. Faist做了很多有益的工作(Science, 264, 22, 1994)。在俄國這方面的工作也做了不少(Kazarinov, Sov. Phys. kmi. 5,207,1971),但實驗長期沒有突破。朗訊曾把QCL作為一個研發重點,但沒有結果。直至2002年由英國和意大利科學家獲得突破(Nature 417,156-159,2002)。量子級聯激光器(QCL)是以異結構半導體(GaAs/AIGaAs)的導帶中的次能級間的躍遷為基礎的一種激光器。利用縱向光學聲子的諧振產生粒子數反轉。2002年的結果是頻率4. 4THz,溫度50K,脈沖功率20mW。此后,很多國家都積極開展QCL的研究工作,采用了不同的材料。到2004年,美國MIT最新的結果是2. ITHz,連續波功率ImW(溫度93K),脈沖功率為20mW (溫度137K)。到2005年,MIT QCL已經用于THz成像,可見THz技術發展的速度比我們想象的
要快得多。
3
在我國,中國電子集團南京55所,渡越雪崩二極管可以做到0. ITHz。中國科學院上海微系統研究所和中國科學院半導體研究所,已開展QCL的研究工作并已作出一定的成^ ο半導體THz輻射源已安排了一個專題報告進行詳細論述。2、基于光子學的太赫茲輻射源飛秒激光脈沖的發展給THz源帶來了很大的機遇。已經發展了很多基于飛秒激光脈沖和非線性光學晶體的THz激光源。如THz光導天線、光整流、非線性差頻、THz參量振蕩器和放大器(TPG,TPO, TPA) 和光學Cherenkov輻射等等。這種方法產生的THz輻射,可以是脈沖的,也可以是連續波的。這方面的研究工作,我國天津大學等單位,也已開展了研究工作,并作出了一定的成果。3、基于高能加速器的太赫茲源近幾年來,隨著THz科學技術的迅速發展,人們發現利用各類電子加速器可以產生THz輻射。自由電子激光(FEL)可工作于THz。2010年1月13 — 14日,在美國Honolulu召開的THz輻射源研討會上,報告了一篇用IMeV靜電加速器的FEL,可以在2mm到500微米, (0. 15-6)THz,產生IkW的準連續波輸出,這一結果被認為是迄今為止最重要的成果之一。2002年,在Nature上發表的另一篇論文體現了電子學和光子學相結合的方法。利用飛秒激光照射GaAs光學晶體,發射出電子束,再用加速器將電子束加速到40MeV。電子在磁場作用下作旋轉運動從而發射出THz輻射,由于電子束的尺度遠小于波長,所以輻射是相干的。實驗結果可以得到20w連續波的THz輻射。所以,如前所述,Nature編輯部將這篇文章定為研究亮點。以上這些基于高能加速器的THz源可以提供較大的功率,但體積較為龐大,耗能也較高,在一些應用中顯得過于昂貴。
4、傳統與新型THz真空電子器件近兒年來,隨著THz科學技術的迅速發展,利用真空電子學產生THz輻射的研究工作取得了很大的進步,出現了 “納米速調管”等新型THz真空電子器件。另一方面,由于技術進步,某些傳統真空電子器件如返波管(BWO)、擴展互作用振蕩器(ΕΙ0或EIK)、繞射輻射器件(Orotron)等的工作頻率已接近或達到ITHz。回旋管可望在ITHz產生千瓦級的脈沖輸出,平均功率可達幾十瓦以上。特別是由CIT的JPL實驗室等研究的“納米速調管”可望在1-3THZ頻率上工作。 納米速調管結合了電子學、光子學和微加工技術,是很有創新意義的一種新器件。納米速調管由于使用微加工技術,所以保證每個納米速調管頻率和相位的一致性,因此可以組成納米速調管陣列,以大大提高輸出功率。利用THz陣列輻射源構成陣列是提高THz輻射功率的一個重要途徑。事實上,還有一種電真空器件已經在上個世紀就已經能夠工作在THz頻段,而且體積較小,那就是返波管。其實,早在世紀之交以前,世界各國就研制出了工作頻率直到 ITHz的返波管,其中大部分都產生于前蘇聯或俄羅斯。但當是THz源的應用前景尚未彰顯, 因此沒有得到應有的重視。現在,通過比較,人們發現返波管的功率重量比或功率體積比是最高的THz源之一。也就是說,返波管是最有潛力實現小型化的THz源之一。因此引起了世界領域的研究興趣。美國的CCR(Calabazas Creek Research, he)、Utah大學、NASA的 Lewis Research Center及法國Thomson CSF DET等研究機構開展了 THz返波管的研究。 其中,只有法國Thomson CSF DET做出過成功的樣管,其他研究機構均尚未成功。我們中國學界對THz返波管也具有濃厚興趣,中科院電子所開展了一些計算機模擬研究,發表或正在發表一些階段研究成果。另外,863計劃也安排了少許相關項目,但尚未見到最新進展報道。EIK也是傳統的電真空器件。在Ka波段,世界各國早就有一些產品問世。比如 CPI加拿大公司在2006年報道的Ka波段的EIK系列產品功率可以達到1000W。韓國2003 年報道正在研制一種Ka波段750W的EIK,當時研制還處于理論設計階段。中科院電子所曾經在上世紀20年代成功研制出Ka波段100W的脈沖型EIK樣管,并提供給某測距雷達使用。近幾年來,以CPI加拿大公司的EIK產品獲得了長足的發展,中心工作頻率迅速擴展到 250GHz,顯示出這種管型向更高頻率發展的巨大潛力。其Ka波段EIKVZA6903E的工作頻帶在27-3IGHz范圍,IdB帶寬為300MHz,飽和增益為75dB,飽和功率750W。其220GHz的EIK 的功率也能達到100W以上。除此之外,美國的NASA Glenn Research Center等單位開展了采用折疊波導的 THz行波管震蕩器的研究。其理論分析表明能夠在560GHz獲得56mW的行波管震蕩器。應該指出,THz領域是電真空器件可以大有作為的領域。從工作原理來分析,行波管放大器具有很寬的工作頻帶。但作為振蕩器,需要從內部或外部引入反饋,其寬帶特性已經完全被淹沒。EIK比行波管和返波管更有利于獲得大功率,但其工作頻帶較窄。CPI加拿大公司為EIK增加了機械調諧措施,機械調諧的范圍在Ka波段可以達到1GHz。返波管是點頻振蕩器,但其振蕩頻率可以在較寬頻帶內進行電調諧,因而更適宜于設備與儀器使用。我國真空電子器件已有相當好的基礎,回旋管的研究工作已在電子科技大學和中科院電子所進行,在0. ITHz已作出近100KW脈沖輸出的回旋管。FEL已在中科院高能物理所、中國工程物理研究院、北京大學和電子科技大學進行,并取得一定的成果。中國科學院電子學研究所具有50多年從事電真空器件研究的歷史,曾經研制成功微波波段的多種管型的行波管。目前開始了對THz返波管的研究。我們認為,目前實現 THz返波管的主要難點在于制造工藝。但是,如果沒有對THz返波管進行必要的設計和計算機模擬,那么也沒有進一步開展工藝研究的基礎。因此,我們已經開展了一些THz返波管模擬計算研究,獲得了一些階段性研究成果。本發明就是在我們現有研究基礎上獲得的最新成果。
發明內容
本發明的目的是公開一種分布作用太赫茲振蕩器,采用周期慢波結構構成調制諧振腔。作為調制諧振腔的周期慢波結構可以工作在返波模式或正向波模式,以分布作用的形式與電子注發生相互作用,使電子注受到速度和密度調制。為達到上述目的,本發明的技術解決方案是—種分布作用太赫茲振蕩器,包括電子槍、互作用區和收集極;其所述互作用區, 包括周期滿波結構調制諧振腔、能量提取腔,其中,周期滿波結構調制諧振腔為工作在THz頻段的周期慢波結構。所述的分布作用太赫茲振蕩器,其所述作為調制諧振腔的周期慢波結構,為螺旋線、反繞螺旋螺旋線、各類耦合腔、交叉指慢波結構、梳形慢波結構、折疊波導慢波結構或光子晶體慢波結構其中之一的慢波結構。所述的分布作用太赫茲振蕩器,其所述互作用區,還包括漂移段,漂移段位于周期慢波結構調制諧振腔和能量提取腔之間。所述的分布作用太赫茲振蕩器,其所述互作用區,還包括中間腔或中間周期慢波結構振蕩器,中間腔或中間周期慢波結構振蕩器位于周期慢波結構調制諧振腔和能量提取腔之間。所述的分布作用太赫茲振蕩器,其在中間腔或中間周期慢波結構振蕩器與能量提取腔之間,設置漂移段。所述的分布作用太赫茲振蕩器,其所述周期慢波結構調制諧振腔,工作在返波模式或正向波模式,以分布作用的形式與電子注發生相互作用,使電子注受到速度和密度調制。本發明的一種分布作用太赫茲振蕩器,結合了返波管和分布作用速調管的優點, 具有適宜于產生THz電磁波的特點。
圖1為本發明的一種返波分布作用太赫茲振蕩器結構示意圖,其中1-電子槍2-周期滿波結構調制諧振腔3-漂移段4-能量提取腔5-能量輸出結構6-收集極7-電子束聚焦系統
具體實施例方式本發明的一種分布作用太赫茲振蕩器,是一種分布作用振蕩器 (Extended-Interaction Oscillator,ΕΙ0),其采用周期慢波結構構成調制諧振腔。作為調制諧振腔的周期慢波結構可以工作在返波模式或正向波模式,以分布作用的形式與電子注發生相互作用,使電子注受到速度和密度調制。如圖1所示,該器件由電子槍1、互作用區和收集極組成,其中的互作用區主要由周期滿波結構調制諧振腔2、漂移段3和能量提取腔 4組成。周期滿波結構調制諧振腔2的功能是對電子注進行調制,漂移段3的作用是為電子注提供群聚空間,能量提取腔4的作用是從電子注提取電磁波能量。能量提取腔4與能量輸出結構5相連,并通過后者向外輸出電磁波能量。電子槍1的作用是提供電子注,所提供的電子注沿著圖1所示結構的軸線向收集極6方向運動,最終被收集極6所收集。在這過程中,電子注穿過由周期滿波結構調制諧振腔2、漂移段3和能量提取腔4組成的互作用區,并與互作用區發生上面所述的注-波相互作用。另外,圖1中的電子束聚焦系統7的作用是把電子注限制在軸線周圍的有限區域內。根據需要,在本發明的周期慢波結構調制諧振腔2和能量提取腔4之間,也可以不設置漂移段3,而設置中間腔或中間周期慢波結構振蕩器(圖中沒示出)。或在周期慢波結構調制諧振腔2和能量提取腔4之間,順序設置中間腔或中間周期慢波結構振蕩器、漂移段 3。本發明的一種分布作用太赫茲振蕩器,在實施時,要注意以下幾點(1)根據工作頻段和工藝制造水平選取作為周期滿波結構調制諧振腔的周期慢波結構。從理論上講,任何一種已知的或將來新發明的慢波結構都可以用來構成本發明所需的周期滿波結構調制諧振腔。不過,在具體實施時,仍然要根據工作頻段和工藝制造水平對周期慢波結構進行選擇。從現有的周期慢波結構看,螺旋線慢波結構在Ka波段以下獲得了最為廣泛的應用。但是,隨著結構尺寸隨頻率的減小,螺旋線慢波結構的制造難度隨著頻率升高而逐漸增大,在W波段以上時,已經不可能制造。因此,在W波段以上,梯形慢波結構、 梳狀慢波結構、折疊波導慢波結構等周期慢波結構顯示出更大的優勢。尤其是這些慢波結構可以用平面微制造工藝進行制造,從而可以制造出適宜于工作在THz頻段的微細周期慢波結構。原則上可以使用任何一種慢波結構或將來新發明的新型慢波結構,然后根據以下步驟開展設計與制造。(2)用線切割等傳統工藝、平面微制造工藝及其它任何公知技術制造上述的梯形慢波結構、梳狀慢波結構、折疊波導慢波結構等周期慢波結構。(3)利用專用或通用電磁計算軟件計算所選定的慢波結構的慢波特性,根據工作頻段選定慢波結構的結構尺寸。通過優化計算,使在工作頻段內的耦合阻抗盡可能高。(4)根據上述第3步的計算結果,選定同步電壓,并以此為根據計算設計電子槍、 收集極和電子注聚焦系統。用與現有速調管和行波管相同或改進的設計方法設計漂移段、 能量提取腔及輸能結構。用與現有速調管和行波管相同的制造方法制造這些部件。(5)用與現有速調管和行波管相同的整管制造方法制造整管。(6)用與現有速調管和行波管相同的測試方法測試整管。
權利要求
1.一種分布作用太赫茲振蕩器,包括電子槍、互作用區和收集極;其特征在于,所述互作用區,包括周期滿波結構調制諧振腔、能量提取腔,其中,周期滿波結構調制諧振腔為工作在THz頻段的周期慢波結構。
2.如權利要求1所述的分布作用太赫茲振蕩器,其特征在于,所述周期慢波結構,為螺旋線、反繞螺旋螺旋線、各類耦合腔、交叉指慢波結構、梳形慢波結構、折疊波導慢波結構或光子晶體慢波結構其中之一的慢波結構。
3.如權利要求1所述的分布作用太赫茲振蕩器,其特征在于,所述互作用區,還包括漂移段,漂移段位于周期慢波結構調制諧振腔和能量提取腔之間。
4.如權利要求1所述的分布作用太赫茲振蕩器,其特征在于,所述互作用區,還包括中間腔或中間周期慢波結構振蕩器,中間腔或中間周期慢波結構振蕩器位于周期慢波結構調制諧振腔和能量提取腔之間。
5.如權利要求3或4所述的分布作用太赫茲振蕩器,其特征在于,在中間腔或中間周期慢波結構振蕩器與能量提取腔之間,設置漂移段。
6.如權利要求1或2所述的分布作用太赫茲振蕩器,其特征在于,所述周期慢波結構調制諧振腔,工作在返波模式或正向波模式,以分布作用的形式與電子注發生相互作用,使電子注受到速度和密度調制。
全文摘要
本發明公開了一種分布作用太赫茲振蕩器,涉及太赫茲(THz)電磁波源技術,包括電子槍、互作用區和收集極,其互作用區由周期滿波結構調制諧振腔、能量提取腔組成。其調制諧振腔采用周期慢波結構構成,周期慢波結構可以工作在返波模式或正向波模式,以分布作用的形式與電子注發生相互作用,使電子注受到速度和密度調制。本發明的一種分布作用太赫茲振蕩器,結合了泛波管和分布作用速調管的優點,具有適宜于產生THz電磁波的特點。
文檔編號H01J25/02GK102403180SQ20101027776
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月8日 優先權日2010年9月8日
發明者劉濮鯤, 劉青倫, 徐安玉, 李海強, 王自成, 董芳 申請人:中國科學院電子學研究所