一种超材料太赫兹振荡器及其控制方法与流程

本发明涉及太赫兹(THz)电磁波源技术领域，具体涉及一种超材料太赫兹振荡器及其控制方法。

背景技术：

超材料(Metamaterials)，即人造结构的材料，又称为左手材料(Left-hand materials)，是一类自然界中不曾存在的特殊材料。由于其特殊的构造，超材料对电磁波的响应特性往往表现为异于常规的材料，如金属、介质。自然界中常见材料的介电常数ε和导磁系数μ均是大于零的实数(ε>0，μ>0)，因此其支持的电磁波只能是处于传播状态，即双正煤质。而超材料的介电常数和导磁系数有一项必须为负数，即存在单负的超材料(介电常数为负或导磁系数为负，即ε<0，μ>0或ε>0，μ<0)，其支持的电磁波只能是消逝波；也存在介电常数和导磁系数同时为负的超材料，即双负的超材料(ε<0，μ<0)，其支持的电磁波同时为传播波和消逝波。从理论上说，超材料的等效电磁特性(以等效折射系数表征)可以设计为任意频率上的任意值，也包括目前自然界中不存在的材料(常规材料的ε>0，μ>0)，因此被称为“超”(意为“meta”或“beyond”)材料。从结构上看，超材料一般包含一系列的周期金属谐振单元排列在介质中，其尺寸与电磁波的波长之比为几十分之一或更小，即结构为亚波长量级。最初研究这种复合型的材料要追溯到19世纪90年代末，Pendry等(J.B.Pendry,A.J.Holden,D.J.Robbins and W.J.Stewart,J.Phys.Condens.Matter,10,4785,1998)研究了周期性的导电线阵列的电磁波相应，发现这种构造材料的响应类似于具有很高电荷密度的等离子体，并且其等效的等离子体频率处在吉赫兹量级。由于这种复合材料的等效介电常数在等离子体频率以下均为负数，因此也开启了人们研究异常煤质的序幕。随后另一种具有负等效导磁系数的结构也被提出(J.B.Pendry,A.J.Holden,D.J.Robbins and W.J.Stewart,IEEE Trans.Micro.Theory Tech.,47,2075,1999)，这种结构是由一系列的分离谐振环(Split-ring resonators,SRRs)组成，对电磁波具有磁响应特性(负介电常数具有等离子体响应特性)。尽管具有负等效介电常数或导磁系数的复合材料被研究，但是超材料这一概念还没有正式被提出。直到2001年，Walser(R.W.Walser,in Proc.SPIE,4467,1,2001)正式提出了超材料(Metamaterials)这一概念，用以代指一类那些自然界中不存在的且对电磁波的响应具有不同于一般煤质两个及以上特性的复合材料。之后，第三种超材料结构被提出，即同时具有负介电常数和负导磁系数的电的LC谐振器(LC-resonator,ELC)。实际上，在理论上研究同时具有负介电常数和负导磁系数的煤质的电动特性很早就已存在(V.D.Veselago,Sov.Phys.Uspekhi,10,509,1968),但是直到2000年，这种复合煤质才在实验上得到了证实(D.R.Smith,W.J.Padilla,D.C.Vier,S.C.Nemat-Nasser and S.Schultz,Phys.Rev.Lett.,84,4148,2000)。目前对超材料结构的研究均是基于这三种基本类型的复合材料或者其变型结构的研究。调节超材料的电的或磁的响应特性，其能够在给定的频率下实现双负折射，这使得在自然界中常见的现象表现异常而引起了研究者极大的兴趣，且成为超材料领域研究的核心。除了以上提到的超材料能够使得已有的一些电磁现象发生逆转，比如在超材料中会出现反常多普勒(Doppler effect)、反常切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)、反斯涅耳定律(Snell’s law)。其他的一些新奇现象如完美棱镜(当折射率为-1)、打破衍射极限的超棱镜、电磁黑洞、幻觉器件等等也得益于超材料。

由于超材料能够极大地增强对电磁波的操控能力，且能出现一些异于常规材料的新奇现象，在太赫兹波段超材料也得到了广泛的关注和研究。目前在太赫兹波段(对应频率范围0.1THz～10THz，1THz＝10¹²Hz)的超材料结构主要也对应三种：一种是具有负介电常数的超材料，主要是以支持类表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmon,SSP)的周期开槽的金属结构为代表，比如周期性的金属丝线阵列，周期金属光栅等等；第二种是具有负导磁系数的超材料，主要以分离谐振环SRRs为代表的超表面结构；第三种则是同时具有负介电常数和负导磁系数的超材料，以SRRs和金属线相结合的结构为代表。超材料对发展一些新颖的太赫兹器件和系统也提供了很好的平台，如高速调制器、宽带滤波器、平面极化器、吸收器等等。太赫兹科学与技术是目前科学技术发展的前沿与热点，由于太赫兹波能够展现出微波和光波所不具有的一些特性，在高速通信、生物医学成像、无损探测、基础科学研究等领域具有巨大的应用前景。太赫兹源是太赫兹科学技术发展的关键，尤其是高功率、高效率、宽带性和紧凑型的太赫兹源能够极大地扩展太赫兹的应用范围，推动太赫兹相关产业快速走向应用。针对不同的应用需求，寻找合适的太赫兹源具有重要的意义。目前太赫兹源主要有三种：一种是基于光子学的太赫兹辐射源，这种太赫兹源是发展最早也是最为成熟的一种，以光电导天线和光整流为主要代表。产生的太赫兹波主要依赖于非线性煤质，泵浦激光持续时间和能量。由于其依赖于光学非线性效应，因此其产生的功率一般在微瓦或毫瓦量级，效率比较低；第二种是基于半导体的固态太赫兹源，其工作原理是基于半导体材料中粒子束的翻转。这种太赫兹源的主要优点是小巧，其频率调谐范围依赖于半导体材料，以量子级联激光器为主要代表，目前量子级联激光器能够工作在1THz以上，功率突破了瓦级。但是量子级联激光器工作在低温环境，因此大大限制了其应用范围。第三种是基于自由电子束的真空电子学源，其工作原理是基于处于减速相位的自由电子束转换能量给电磁波从而获得高功率的太赫兹源。目前在太赫兹波段输出功率最大的器件为真空电子器件，回旋管和自由电子激光在太赫兹能达到上千瓦量级的输出，但是回旋管往往依赖于外部磁场，自由电子激光依赖于外围装置如加速器等等，因此这两种大功率的器件难以发展成为紧凑型的太赫兹源。而其他线性器件如返波振荡器、速调管、行波管等等往往具有紧凑型的特点，但是工作频率增大到太赫兹后，由于其具有缩尺效应，器件的尺寸往往很小，因此热容量有限，输出功率难以达到瓦级。而其他基于自由电子束的太赫兹辐射源，如史密斯-帕赛尔辐射(Smith-Purcell radiation)(Y.Shin,J.So,K.Jang,J.Won,A.Srivastava and G.Park,Appl.Phys.Lett.,90,031502,2007)、切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)(J.So,J.Won,M.A.Sattorov,S.Bak,K.Jang,G.Park,D.S.Kim and F.J.Garcia-Vidal,Appl.Phys.Lett.,97,151107,2010)和衍射辐射(Diffraction radiation)(S.Liu,M.Hu,Y.Zhang,Y.Li and R.Zhong,Phys.Rev.B,80,036602,2009)能够工作在太赫兹波段，但是其需要的电子束能量很高，且辐射效率较低。

技术实现要素：

针对目前太赫兹波源的发展现状，本发明提出了一种超材料结构的太赫兹波振荡器，利用超材料结构的一些独特技术优势，比如支持的SSP模式的近场增强效应、低损耗和超大折射率等等，并且能够结合现有真空电子器件中自由电子束激发电磁波具有的大功率和高效率优势，在亚波长的超材料结构表面产生太赫兹波，具有紧凑型的特点。

本发明的一个目的在于提出一种超材料结构以及超材料太赫兹振荡器。

本发明的超材料结构包括：周期性的亚波长的金属缝阵列；金属缝沿z轴排列，在y轴方向的厚度远大于xz平面的尺度，所激发的类表面等离子体激元SSP模式在y轴厚度方向的电磁场分布均匀，因此不考虑厚度方向，金属缝阵列为矩形平面结构；通过调节金属缝阵列的结构参数改变超材料结构的等效折射系数。

结构参数包括金属缝的深度H、金属缝阵列的排列周期P和缝隙的宽度W；其中，0<H<300μm，0<P<300μm，0<W<P。

金属缝的厚度d≥10λ，λ为超材料结构所激发的SSP模式截止频率所对应的波长，所激发的SSP模式的截止频率所对应的波长即为SSP基波模式的最小波长值。

在太赫兹波段常见的金属如铜、金类似于理想导体，虽然引起金属表面自由电子振荡和欧姆损耗相比于光学波段较弱，从而具有低损耗的特点，但是电磁波的局附效应较弱。

进一步，本发明的超材料结构可根据需要在金属缝阵列的缝隙之间填充电介质，如玻璃、陶瓷，相比于现有的超材料结构，能够使得电磁波的局附效应更加明显，因此也能进一步增强电子束和电磁波的互作用；并且，为调控电磁波增加了一个新的维度，在相同的结构参数下增加填充介质介电常数可进一步增大超材料结构的等效折射系数。可以设计超材料结构得到很大折射率的互作用结构，相比于现有的真空电子器件该发明的超材料太赫兹振荡器所需电子束的工作电压可以很低，因此也具有低电压工作的特点。

本发明的超材料太赫兹振荡器包括：超材料结构、电子枪、漂移腔、能量提取结构、收集极和磁聚焦系统；其中，超材料结构作为互作用结构，采用周期性的亚波长的金属缝阵列；在超材料结构的一端设置电子枪，发射电子束沿着超材料结构的表面传播，在超材料结构的末端的表面对着电子束的路径设置依次连接的漂移腔、能量提取结构和收集极，漂移腔为矩形波导，能量提取结构为一个输出腔；在超材料结构和漂移腔段之外设置磁聚焦系统；电子枪发射均匀电子束，电子束沿着超材料结构的表面沿z轴传播，感应出SSP模式的电磁场；在满足电子束与超材料结构表面SSP模式色散相匹配时，感应出的SSP模式的轴向电场反过来与电子束相互作用，使得电子束发生速度调制，进入漂移腔；漂移腔引导经过速度调制的电子束进一步形成密度调制，进而使得均匀发射的电子束形成密度调制，进入能量提取装置；能量提取装置作为一个输出腔，感应经过密度调制的电子束产生电场，将超材料太赫兹振荡器产生的SSP模式电磁波输出进入其他应用系统；经过漂移腔和能量提取装置之后的电子束被设置在最末端的收集极所收集；在超材料结构和漂移腔段之外设置的磁聚焦系统，使得电子束不会发生离散，从而使得电子束与SSP模式相互作用能持续和有效地进行。

本发明的超材料太赫兹振荡器，根据需要在超材料结构的上表面和下表面同时设置电子枪，发射电子束，在超材料结构的两个表面激发出SSP模式的电磁波并与之互作用，因此相比于现有的单电子束互作用的超材料太赫兹振荡器，本发明的超材料太赫兹振荡器能够大大提高输出功率。分别设置在上表面和下表面的电子枪发射出电子束分别沿着超材料结构的上表面和下表面传播，在超材料结构末端的上表面和下表面正对着的电子束的路径，分别对称设置漂移腔、能量提取装置、磁聚焦系统和收集极。

漂移腔的长度根据电子束与超材料结构SSP模式互作用强弱而定。当两者互作用很强时，漂移腔长度应适当短一些，反之其长度应当长一些；漂移腔的另外一个目的是将在超材料结构表面所激发出的SSP模式引导进入能量提取装置。能量提取装置同时起一个电场感应和能量输出的作用。由于在整个过程中电子束交出能量只有一部分给电磁波，还有一部分最后打到收集极中耗散掉，故在实际中为了提高整个太赫兹振荡器的总效率可设置具有降压作用的收集极，收集极施加一个减速场，降低收集级的电压，收集电子的能量交给电源，使打到降压收集极上的电子产生的能量大大较小，节约能源，提高总效率。

本发明的超材料太赫兹振荡器也可根据需要，漂移腔和能量提取装置分别为一个单独的装置，或者漂移腔和能量提取装置合并为一个整体，或者漂移腔设置为矩形波导和另一段超材料结构的级联腔，从而与能量提取装置形成矩形波导-超材料结构-能量提取装置的三段式的互作用结构。当电子束经过漂移腔和能量提取装置之后被设置在末端的收集极所收集。

本发明的超材料太赫兹波振荡器采用的超材料结构可根据需要，电子束激发两种不同的SSP模式，包括对称的SSP模式和反对称的SSP模式。通过调整电子束的能量，使得电子束的色散曲线与超材料结构所激发的SSP模式的色散曲线相匹配，匹配点即为互作用点。如果电子束的色散曲线与对称的SSP模式的色散曲线相匹配，则激发出对称的SSP模式；如果电子束的色散曲线与反对称的SSP模式的色散曲线相匹配，则激发出反对称的SSP模式。所激发的SSP模式的截止等离子体频率f_c(SSP基波模式的最大频率值)由金属缝阵列的深度H决定。对于对称的SSP模式，截止等离子体频率为f_c＝c/H，c是真空中的光速，对于反对称的SSP模式，截止等离子体频率为f_c＝2c/H。另外，若在金属缝阵列之间填充介电常数为ε的电介质，则对称的SSP模式的截止等离子体频率为反对称的SSP模式的截止等离子体频率为而在超材料结构上所激发的对称和反对称的SSP基波模式的截止传播波矢k_zc(截止等离子体频率所对应的传播波矢)则由金属缝阵列的周期决定，即k_zc＝2π/P。本发明的超材料太赫兹波振荡器采用的超材料结构可以映射为等效折射率为n＝P/W(0<W<P)的平板介质，等效的平板介质的厚度则为H/n，因此本发明的超材料太赫兹振荡器的超材料结构的等效折射系数理论上可以无限大，相对应的被电子束所激发的SSP模式的相速度v_p＝c/n可以很小，对应的电子束电压可以极低，因此本发明的超材料太赫兹振荡器具有低电压工作的优势。

本发明的另一个目的在于提出一种超材料太赫兹振荡器的控制方法。

本发明的超材料太赫兹振荡器的控制方法，包括以下步骤：

1)电子枪发射均匀电子束，电子束沿着超材料结构的表面沿z轴传播，感应出SSP模式的电磁场；

2)在满足电子束与超材料结构表面SSP模式色散相匹配时，感应出的SSP模式的轴向电场反过来与电子束相互作用，使得电子束发生速度调制，进入漂移腔；

3)漂移腔引导经过速度调制的电子束进一步形成密度调制，进而使得均匀发射的电子束形成密度调制；

4)密度调制后的电子束进入能量提取装置，能量提取装置感应经过密度调制的电子束产生电场，将超材料太赫兹振荡器产生的太赫兹波输出进入其他应用系统；

5)经过漂移腔和能量提取装置之后的电子束被设置在最末端的收集极所收集；

6)在超材料结构和漂移腔段之外设置的磁聚焦系统，使得电子束不会发生离散，从而使得电子束与SSP模式相互作用能持续和有效地进行。

本发明的优点：

本发明的超材料太赫兹振荡器相比于其他超材料结构的太赫兹辐射源如史密斯-帕赛尔辐射(Smith-Purcell radiation)、切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)和衍射辐射(Diffraction radiation)，其产生的太赫兹波不会辐射进入外部自由空间，也不会辐射进入超材料结构内部，因此整个装置的结构尺寸较小，具有紧凑型的优势；另外，由于产生的太赫兹波局附在超材料结构的表面，且在互作用结束后所需的能量提取装置较为简单，比以上其他提到的太赫兹辐射源的输出能量提取更加便捷。

本发明的超材料太赫兹振荡器以超材料结构中的SSP模式为互作用媒介，能够充分利用SSP模式的近场增强效应，因而相比于目前其他在超材料结构中的太赫兹辐射源能够极大地提高互作用效率，且具有紧凑型的优点；并且采用电介质填充超材料结构，在目前已有超材料结构的基础上能够增加对电磁波的调控维度，并且能进一步增大超材料结构的等效折射率；采用超材料结构设计太赫兹振荡器能够充分发挥超材料的技术优势，能够根据超材料结构的参数设计在任意太赫兹频率获得任意值的等效折射率，这为器件的低电压工作提供了极大地便利；再者，在超材料结构上表面和下表面同时发射电子束，能够进一步提高互作用效率和输出功率；同时，由于在太赫兹波段，常见金属的介电常数的虚部远远小于实部，相比于光学波段，其支持的SSP模式的衰减较小，因此本发明的超材料太赫兹振荡器也具有低损耗的特点。

附图说明

图1为本发明的超材料结构的剖面图；

图2为本发明的超材料太赫兹振荡器的剖面图；

图3为本发明的超材料太赫兹振荡器的的色散曲线匹配图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的超材料结构包括：周期性的亚波长的金属缝阵列；金属缝沿z轴排列，在y轴方向的厚度远大于xz平面的尺度，所激发的类表面等离子体激元SSP模式在y轴厚度方向的电磁场分布均匀，因此不考虑厚度方向，金属缝阵列为矩形平面结构；在金属缝阵列的缝隙中填充电介质玻璃；通过调节金属缝阵列的结构参数改变超材料结构的等效折射系数。结构参数包括金属缝的深度H、金属缝阵列的排列周期P、缝隙的宽度W和电介质ε。本实施例中，H＝132μm、P＝30μm、W＝15μm和ε＝3.92。若不填充，ε＝1。金属缝的厚度d＝10cm。

如图2所示，本实施例的超材料太赫兹振荡器包括：超材料结构6、电子枪1和1’、漂移腔4和4’、能量提取结构5和5’、收集极7和7’和磁聚焦系统3；其中，超材料结构的一端的上下表面各设置电子枪1和1’，在超材料结构的上表面和下表面分别发射电子束2和2’，在超材料结构的末端上表面和下表面正对着电子束的路径，分别对称设置漂移腔4和4’、能量提取结构5和5’和收集极7和7’；在超材料结构和漂移腔段之外设置的磁聚焦系统3。超材料结构可以映射为等效折射率为n＝P/W的平板介质，等效介质的厚度则为H/n，因此控制金属缝的宽度能够调整改变超材料结构的等效折射系数。

图3具体给出了本发明超材料太赫兹振荡器的实施原理图，超材料结构所支持的SSP模式的色散曲线，较粗的曲线为对称的SSP模式的色散曲线，较细的曲线为反对称的SSP模式的色散曲线。由于超材料结构所支持的SSP模式均是沿着金属表面传播不辐射，因此其色散均处于光锥线以下。电子束的色散关系以倾斜的细直线表示，当满足电子束与SSP模式的色散曲线匹配时，电子束与超材料结构能够有效地互作用，互作用点以圆圈表示。在具体计算中，超材料结构参数为ε＝1，H＝132μm，P＝30μm，W＝15μm。同时色散曲线图右上侧和右下侧也分别给出了该超材料结构支持的反对称(1.5THz)和对称(1.0THz)的SSP模式的轴向电场分布图。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。