双光栅绕射辐射器件中模式竞争问题的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)省部共建现代显示技术国家重点实验室 作者:邓光晟

  对双光栅绕射辐射器件谐振系统的模式竞争特性进行了分析,研究了工作模式的主要竞争模式及其抑制措施。结果表明,双光栅绕射辐射器件工作模式的主要竞争模式为满足开放边界条件的光栅表面慢波模式,而减小电子通道宽度以及合理选择带状电子注的高度能够有效抑制竞争模式的振荡。

  电磁波谱中,波长为3 mm ~ 30 μm( 频率0. 1 ~10 THz) 的电磁波,通常称之为太赫兹( THz) 波。THz 波具有光子能量低、穿透能力强、频谱极宽等显著优点,因此在物体成像、环境监测、医疗诊断、宽带移动通讯、卫星通信和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。当前,缺乏有效THz 源成为太赫兹波应用研究的一大瓶颈。奥罗管( Orotron) 因其结构紧凑、工作电压低等特点特别适用于作为THz 源,但其效率较低,注-波互作用弱是需要解决的主要问题。双光栅式绕射辐射振荡器与奥罗管高频结构皆由绕射光栅与开放光学谐振腔组成,但与传统的奥罗管不同的是,双光栅绕射辐射器件中采用两片光栅对置,且光栅放置垂直于开放腔反射镜面,当电子从两片光栅之间通过时,与两片光栅表面产生的Smith-Purcell 辐射( S-P 辐射) 波同时作用,形成稳定的振荡输出。双光栅绕射辐射器件与奥罗管相比,其带状电子注能够与两片光栅附近的慢波场同时进行注-波互作用,从而有效改善奥罗管结构中由于电子注的不均匀性导致的效率降低的缺点。同时,对双光栅绕射辐射器件,由于双光栅结构位于谐振槽内,光栅表面的电场强度得到了明显增强,器件效率有望得到进一步提高,因此双光栅绕射辐射器件是一种极有发展前景的紧凑型THz源。一般而言,在谐振结构内部可能存在多个模式,当某个模式的起振条件最先达到时,该模式将在谐振结构内占据主导地位,同时压制其他模式的振荡,这就是模式竞争。对双光栅绕射辐射器件,只有TEM00q + TM110模式是所需要的工作模式,因此如何保证谐振系统中能够抑制主要竞争模式,从而保持TEM00q + TM110模式的单模工作状态是双光栅绕射辐射器件设计中需要考虑的主要问题。

1、竞争模式分析

  由于双光栅本身可以视为一种慢波结构,当电子注从光栅表面扫过时,不仅激励出Smith-Purcell辐射,同时也将在光栅表面激励产生慢电磁波。图1 为双光栅绕射辐射器件的结构示意图,模拟采用的双光栅绕射辐射器件高频结构的结构参数见表1,这里将球柱开放腔与双光栅结构的交界面定义为y = 0 平面。

双光栅绕射辐射器件结构示意图

图1 双光栅绕射辐射器件结构示意图

  模拟得到的光栅表面慢波的场分布如图2( a)所示。这里需要特别指出的是,由于双光栅的上表面是开放的,因此其场分布与传统的双光栅慢波结构中的电磁场分布存在较大差异。图2( b) 是传统的双光栅慢波结构内部的电磁场分布,可以看到,双光栅绕射辐射器件内的慢波场主要集中在开放区域附近,在光栅的下端,电场场强的衰减非常明显。

表1 结构参数值

结构参数值

  图3 是双光栅绕射辐射器件内光栅表面慢波的色散曲线,将设计采用的工作电压与工作模式的频率-相位关系也一并绘于图3 中。从图3 可以看出,工作电压与慢波的色散曲线和工作模式都存在交点,因此工作模式与慢波存在模式竞争。

  为了分析工作模式和慢波的模式竞争情况,需要首先对不同模式下的场分布以及互作用电场强度进行分析。图4 为工作模式以及表面慢波模式下整个谐振结构的电场分布图,在表面慢波模式下,电场主要集中在光栅附近,开放腔中的电场强度很小,此时能量难以从开放腔内耦合出去,因此表面慢波模式对器件的正常工作没有任何贡献,反而可能影响谐振系统的单模工作状态,造成器件工作的不稳定。

  根据电磁场原理,与同步电子互作用的场强越强,互作用的效果越明显。如果表面慢波模式下电子通道内的Z 向电场强度大于工作模式下的Z 向电场强度,则表面慢波模式有可能先于工作模式起振。图5 为在表1 所示的结构参数下电子通道区域表面慢波模式以及工作模式下的电场强度值,首先设定两个观测平面y1和y2,其中y1 = - 0.67 mm,选择该平面是为了研究球柱开放腔与双光栅交界附近电场强度分布,而选择y2 = - hg /2 则是为了确定光栅中心区域的电场分布。在y1和y2两个平面处考察不同模式下电场强度的变化情况,在y1平面处,表面慢波强度要明显大于工作模式下的情况,该区域内的同步电子注将首先激励表面慢波模式,而在y2平面处,工作模式的电场强度则要强于表面慢波,该现象已在前文中进行了描述,这是由于开放结构下的表面场分布状态决定的。需要注意的是,虽然在y2平面处工作模式的电场强度较强,但该强度与表面慢波的强度相差并不明显,因此表面慢波场仍有起振的可能性。

不同模式下的光栅表面慢波场

图2 不同模式下的光栅表面慢波场

3、结论

  双光栅绕射辐射器件高频系统内的模式竞争是影响器件工作状态的一个重要原因,其中对工作模式影响最大的是光栅的表面慢波场。由于双光栅绕射辐射器件高频系统中光栅在+ Y 向是开放的,因此其表面慢波场与传统的双光栅表面慢波场分布存在较大差异,表现为该慢波场主要集中在开放区域附近。研究发现,增大光栅高度并不能有效降低表面慢波电场场强,因此采用该方法无法抑制表面慢波振荡。减小电子通道宽度则不仅增大了工作模式下电场强度的平均值,也能够减小表面慢波电场对谐振结构的影响,合理选择电子通道宽度是解决双光栅绕射辐射器件高频系统模式竞争的一个重要方法。带状电子注的高度对该类器件高频系统的模式竞争也有较大影响,当电子注高度与光栅高度之比小于0. 68 时,可以保证电子注-波互作用受表面慢波电场影响较小,从而减小表面慢波振荡的可能性。模拟结果表明,通过对电子通道宽度以及电子注高度的优化,双光栅绕射辐射器件表面慢波场起振现象得到了较好的抑制。

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