本申请涉及电磁技术领域，更具体地说，涉及一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法。
背景技术：
波长在毫米或亚毫米级、频率在太赫兹波段的电磁波在生命科学、材料科学、高速通信以及国家安全等诸多领域具有广阔的应用前景，是当前国内外研究者普遍关注的热点研究课题。这个波段的电磁波辐射是发展太赫兹技术的基础。
基于带电粒子激励光栅产生的相干Smith-Purcell辐射效应的Smith-Purcell自由电子激光时有望发展成为工作在太赫兹频段的重要电磁辐射源。传统Smith-Purcell自由电子激光，由连续电子注和一段光栅激发，具体地：电子注在光栅结构表面与反向慢波的相互作用，使连续电子注发生群聚，形成一系列周期性排列的电子团，这些电子团在光栅表面产生相干Smith-Purcell辐射，辐射频率为电子团群聚频率的正整数倍，即谐波。辐射强度随频率倍数的提高而急剧下降，因此，传统的Smith-Purcell自由电子激光通常只能产生频率为群聚频率两倍(即二次谐波)的电磁辐射。辐射频率难以达到较高的太赫兹频段(比如辐射频率在0.5THz以上)。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本申请提供了一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法，以实现产生太赫兹波段的Smith-Purcell辐射的目的。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种电磁波辐射系统，包括：矩形光栅和电子注发射设备，其中；
所述矩形光栅的第一表面具有周期性结构；
所述电子注发射设备用于每隔预设时间向所述矩形光栅发射与所述第一表面平行的电子团，以激励起所述矩形光栅上的表面波，所述电子团将被所述表面波调制，使得每个电子团内部产生若干小电子团，最终形成的电子团将在光栅上半空间产生相干Smith-Purcell辐射；
所述电子注发射设备发射的电子团的发射频率为所述预设时间的倒数。
可选的，所述电子注发射设备为光阴极电子枪。
可选的，所述光阴极电子枪包括：光阴极和激光发射设备；其中，
所述激光发射设备用于每个预设时间向所述光阴极发射激光脉冲，以使所述光阴极在所述激光脉冲的激励下产生所述电子团并从所述光阴极的发射面出射。
可选的，所述光阴极的发射面的横截面垂直于所述第一平面，且所述横截面的形状为矩形。
可选的，所述矩形由平行于第一方向的长边和平行于第二方向的短边构成；
所述第一方向垂直于所述第二方向，且所述第一方向与所述第一平面平行。
可选的，所述长边长度与短边长度的比值大于或等于10。
一种电磁波辐射方法，包括：
提供电磁波辐射系统，所述电磁波辐射系统为上述任一项所述的电磁波辐射系统；
利用所述电磁波辐射系统的电子注发射设备向所述矩形光栅周期性发射与所述矩形光栅的第一表面平行的电子团，以激励起所述矩形光栅上的表面波，所述电子团将被所述表面波调制，使得每个电子团内部产生若干小电子团，最终形成的电子团将在光栅上半空间产生相干Smith-Purcell辐射；
所述电子注发射设备发射的电子团的发射频率为所述预设时间的倒数。
可选的，所述电子团激励所述矩形光栅，产生相干Smith-Purcell辐射的过程包括：
所述电子团激励所述矩形光栅的第一表面的周期性结构产生表面波；
所述电子团与所述表面波相互作用，产生电子群聚，以在每个所述电子团的内部产生多个小电子团，群聚频率为所述电子发射设备发射的电子团的发射频率的正整数倍；
所述小电子团的束团因子与所述电子团的束团因子叠加后，产生一系列的混频分量，所述混频分量的频率满足第一预设公式；
包含所述混频分量的电子团在所述矩形光栅表面形成多个不同频率的相干Smith-Purcell辐射；
所述第一预设公式为：f＝pf1+qf0；其中，f为混频分量的频率，f1为所述群聚频率，f0为所述电子团的发射频率，p、q均为非零整数。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法，其中，所述电磁波辐射系统通过电子注发射设备向矩形光栅周期性地发射电子团，以使电子团周期性地掠过所述矩形光栅的第一表面，当电子团掠过所述矩形光栅的第一表面时，矩形光栅的第一表面产生表面波，电子团与产生的表面波相互作用，产生电子群聚，以在每个电子团的内部产生多个小电子团；然后所述小电子团的束团因子与所述电子团的束团因子叠加后，产生一系列的混频分量；而包含这些混频分量的电子团在矩形光栅表面形成多个不同频率的相干Smith-Purcell辐射。在产生的这些相干Smith-Purcell辐射中，其辐射频率均与所述电子团的发射频率相关，因此可以通过调节所述电子团的发射频率，实现对产生的相干Smith-Purcell辐射的辐射频率的控制，可以实现辐射频率覆盖0.6THz-1.5THz范围的目的。
另外，利用所述电磁波辐射系统可以一次性产生多个频率的Smith-Purcell辐射，可以同时满足多个应用的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请的一个实施例提供的一种电磁波辐射系统的结构示意图；
图2为本申请的另一个实施例提供的一种电磁波辐射系统的结构示意图；
图3为图2沿AA’线的剖面结构示意图；
图4为利用本申请的又一个实施例提供的电磁波辐射系统出射的电子团在与矩形光栅的第一表面的表面波相互作用后的效果示意图；
图5为利用本申请的又一个实施例提供的电磁波辐射系统仿真得到的平板金属矩形光栅上半空间的辐射频谱；
图6为本申请的一个实施例提供的一种电磁波辐射方法的流程示意图；
图7为本申请的一个实施例提供的电子团激励所述矩形光栅，产生相干Smith-Purcell辐射的过程的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种电磁波辐射系统，如图1所示，包括：矩形光栅30和电子注发射设备10，其中；
所述矩形光栅30的第一表面具有周期性结构；
所述电子注发射设备10用于每隔预设时间向所述矩形光栅30发射与所述第一表面平行的电子团20，以激励起所述矩形光栅上的表面波，所述电子团20将被所述表面波调制，使得每个电子团20内部产生若干小电子团，最终形成的电子团将在光栅上半空间产生相干Smith-Purcell辐射40；
所述电子注发射设备发射的电子团的发射频率为所述预设时间的倒数。
所述电磁波辐射系统通过电子注发射设备10向矩形光栅30周期性地发射电子团20，以使电子团20周期性地掠过所述矩形光栅30的第一表面，当电子团20掠过所述矩形光栅30的第一表面时，矩形光栅30的第一表面产生表面波，电子团20与产生的表面波相互作用，产生电子群聚，以在每个电子团20的内部产生多个小电子团，电子群聚的群聚频率是电子团20的发射频率的整数倍，每个所述小电子团的尺寸小于所述电子团20的尺寸；
然后所述小电子团的束团因子与所述电子团20的束团因子叠加后，产生一系列的混频分量，这些混频分量的频率满足第一预设公式：f＝pf1+qf0；其中，f为混频分量的频率，f1为所述群聚频率，f0为所述电子团20的发射频率，p、q均为非零整数；
而包含这些混频分量的电子团20在矩形光栅30表面形成多个不同频率的相干Smith-Purcell辐射40。在产生的这些相干Smith-Purcell辐射40中，其辐射频率均与所述电子团20的发射频率相关，因此可以通过调节所述电子团20的发射频率，实现对产生的相干Smith-Purcell辐射40的辐射频率的控制，可以实现辐射频率覆盖0.6THz-1.5THz范围的目的。
另外，利用所述电磁波辐射系统可以一次性产生多个频率的Smith-Purcell辐射40，可以同时满足多个应用的需求，产生的这些Smith-Purcell辐射40的辐射频率和辐射方向满足Smith-Purcell辐射40关系：
其中，λ表示Smith-Purcell辐射40在真空中的辐射波长，L是所述矩形光栅30的空间周期，β为电子团20中粒子速度与真空光速的比值，n为负整数，θ为Smith-Purcell辐射40的辐射方向与电子团20中粒子运动方向的夹角。
需要说明的是，图1中的坐标系为以电子团20的运动方向为x轴正向建立的右手坐标系。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述电子注发射设备10为光阴极电子枪。
可选的，如图2所示，所述光阴极电子枪包括：光阴极12和激光发射设备11；其中，
所述激光发射设备11用于每个预设时间向所述光阴极12发射激光脉冲，以使所述光阴极12在所述激光脉冲的激励下产生所述电子团20并从所述光阴极12的发射面出射。
所述光阴极12采用光电材料制备，以实现在激光脉冲的激励下产生电子团20的功能。在本实施例中，可以明显的看出，激光脉冲的发射频率等于电子团20的发射频率，因此可以通过调节激光脉冲的发射频率来实现对电子团20的发射频率的控制。
为了产生沿垂直于所述第一平面的截面形状为矩形的电子团20，优选地，所述光阴极的发射面的横截面垂直于所述第一平面，且所述横截面的形状为矩形。
参考图3，图3为沿图2中的AA’线的剖面示意图，所述矩形由平行于第一方向的长边和平行于第二方向的短边构成；
所述第一方向垂直于所述第二方向，且所述第一方向与所述第一平面平行。
图2和图3中的坐标系与图1中的坐标系相同，图3中的x轴延伸方向即为所述第一方向，y轴延伸方向即为所述第二方向。
优选地，所述长边长度与短边长度的比值大于或等于10。
将长边长度与短边长度的比值设置较大的目的是产生横截面的长边长度较长的电子团20，以使电子团20与矩形光栅30的接触面积尽量增加，避免大量的电子团20无法与矩形光栅30接触而产生浪费的情况。
下面给出优化得到的电磁波辐射系统，所述矩形光栅30为平板金属矩形光栅30，其光栅周期为0.4mm，光栅梳齿间缝隙宽度为0.2mm，光栅梳齿深度为0.3mm；电子注发射设备10为光阴极电子枪，其电子能量为100千电子伏特，电子团20的发射频率为86GHz，电子团20的横截面尺寸为0.1mm×1mm。
参考图4，图4为利用上述结构的电磁波辐射系统出射的电子团20在与矩形光栅30的第一表面的表面波相互作用后的效果示意图；图4中的横坐标表示小电子团沿x轴方向的位置坐标，纵坐标为该位置处的电子能量，单位为千电子伏特；从图4中可以看出，在电子团20与表面波相互作用以后，电子团20内部的电荷能量得到了有效地调制，即产生了尺寸较小的小电子团。
参考图5，图5为仿真得到的平板金属矩形光栅30上半空间的辐射频谱，图5中的横坐标为Smith-Purcell辐射的辐射频率，单位为太赫兹，纵坐标为归一化场强；从图5中可以看出，利用所述电磁波辐射系统得到了一系列强度较大的相干Smith-Purcell辐射40的辐射峰值，频率从0.6THz到1.5THz变化。
下面对本申请提供的电磁波辐射方法进行描述，下文描述的电磁波辐射方法与上文描述的电磁波辐射系统可相互对应参照。
相应的，本申请实施例提供了一种电磁波辐射方法，如图6所示，包括：
S101：提供电磁波辐射系统，所述电磁波辐射系统为上述任一实施例所述的电磁波辐射系统；
S102：利用所述电磁波辐射系统的电子注发射设备向所述矩形光栅周期性发射与所述矩形光栅的第一表面平行的电子团，以激励起所述矩形光栅上的表面波，所述电子团将被所述表面波调制，使得每个电子团内部产生若干小电子团，最终形成的电子团将在光栅上半空间产生相干Smith-Purcell辐射；
所述电子注发射设备发射的电子团的发射频率为所述预设时间的倒数。
所述电磁波辐射方法利用所述电子注发射设备向矩形光栅周期性地发射电子团，以使电子团周期性地掠过所述矩形光栅的第一表面，当电子团掠过所述矩形光栅的第一表面时，矩形光栅的第一表面产生表面波，电子团与产生的表面波相互作用，产生电子群聚，以在每个电子团的内部产生多个小电子团，电子群聚的群聚频率是电子团的发射频率的整数倍，每个所述小电子团的尺寸小于所述电子团的尺寸；
然后所述小电子团的束团因子与所述电子团的束团因子叠加后，产生一系列的混频分量，这些混频分量的频率满足第一预设公式：f＝pf1+qf0；其中，f为混频分量的频率，f1为所述群聚频率，f0为所述电子团的发射频率，p、q均为非零整数；
而包含这些混频分量的电子团在矩形光栅表面形成多个不同频率的相干Smith-Purcell辐射。在产生的这些相干Smith-Purcell辐射中，其辐射频率均与所述电子团的发射频率相关，因此可以通过调节所述电子团的发射频率，实现对产生的相干Smith-Purcell辐射的辐射频率的控制，可以实现辐射频率覆盖0.6THz-1.5THz范围的目的。
另外，利用所述电磁波辐射系统可以一次性产生多个频率的Smith-Purcell辐射，可以同时满足多个应用的需求，产生的这些Smith-Purcell辐射的辐射频率和辐射方向满足Smith-Purcell辐射关系：
其中，λ表示Smith-Purcell辐射在真空中的辐射波长，L是所述矩形光栅的空间周期，β为电子团中粒子速度与真空光速的比值，n为负整数，θ为Smith-Purcell辐射的辐射方向与电子团中粒子运动方向的夹角。
具体地，如图7所示，所述电子团激励所述矩形光栅，产生相干Smith-Purcell辐射的过程包括：
S201：所述电子团激励所述矩形光栅的第一表面的周期性结构产生表面波；
S202：所述电子团与所述表面波相互作用，产生电子群聚，以在每个所述电子团的内部产生多个小电子团，群聚频率为所述电子发射设备发射的电子团的发射频率的正整数倍；
S203：所述小电子团的束团因子与所述电子团的束团因子叠加后，产生一系列的混频分量，所述混频分量的频率满足第一预设公式；
S204：包含所述混频分量的电子团在所述矩形光栅表面形成多个不同频率的相干Smith-Purcell辐射；
所述第一预设公式为：f＝pf1+qf0；其中，f为混频分量的频率，f1为所述群聚频率，f0为所述电子团的发射频率，p、q均为非零整数。
下面给出利用优化后的电磁波辐射系统产生电磁波辐射的仿真结果，优化后的电磁波辐射系统中，所述矩形光栅为平板金属矩形光栅，其光栅周期为0.4mm，光栅梳齿间缝隙宽度为0.2mm，光栅梳齿深度为0.3mm；电子注发射设备为光阴极电子枪，其电子能量为100千电子伏特，电子团的发射频率为86GHz，电子团的横截面尺寸为0.1mm×1mm。
参考图4，图4为利用上述结构的电磁波辐射系统出射的电子团在于矩形光栅的第一表面的表面波相互作用后的效果示意图；从图4中可以看出，在电子团与表面波相互作用以后，电子团内部的电荷能量得到了有效地调制，即产生了尺寸较小的小电子团。
参考图5，图5为仿真得到的平板金属矩形光栅上半空间的辐射频谱，从图5中可以看出，利用所述电磁波辐射系统得到了一系列强度较大的相干Smith-Purcell辐射的辐射峰值，频率从0.6THz到1.5THz变化。
综上所述，本申请实施例提供了一种电磁波辐射系统及电磁波辐射方法，其中，所述电磁波辐射系统通过电子注发射设备向矩形光栅周期性地发射电子团，以使电子团周期性地掠过所述矩形光栅的第一表面，当电子团掠过所述矩形光栅的第一表面时，矩形光栅的第一表面产生表面波，电子团与产生的表面波相互作用，产生电子群聚，以在每个电子团的内部产生多个小电子团，电子群聚的群聚频率是电子团的发射频率的整数倍，每个所述小电子团的尺寸小于所述电子团的尺寸；
然后所述小电子团的束团因子与所述电子团的束团因子叠加后，产生一系列的混频分量，这些混频分量的频率满足第一预设公式：f＝pf1+qf0；其中，f为混频分量的频率，f1为所述群聚频率，f0为所述电子团的发射频率，p、q均为非零整数；
而包含这些混频分量的电子团在矩形光栅表面形成多个不同频率的相干Smith-Purcell辐射。在产生的这些相干Smith-Purcell辐射中，其辐射频率均与所述电子团的发射频率相关，因此可以通过调节所述电子团的发射频率，实现对产生的相干Smith-Purcell辐射的辐射频率的控制，可以实现辐射频率覆盖0.6THz-1.5THz范围的目的。
另外，利用所述电磁波辐射系统可以一次性产生多个频率的Smith-Purcell辐射，可以同时满足多个应用的需求，产生的这些Smith-Purcell辐射的辐射频率和辐射方向满足Smith-Purcell辐射关系：
其中，λ表示Smith-Purcell辐射在真空中的辐射波长，L是所述矩形光栅的空间周期，β为电子团中粒子速度与真空光速的比值，n为负整数，θ为Smith-Purcell辐射的辐射方向与电子团中粒子运动方向的夹角。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。