平面多电子注激励石墨烯亚波长集成光栅的太赫兹辐射源的制作方法

本发明涉及真空电子学太赫兹技术领域，尤其涉及一种平面多电子注激励石墨烯亚波长集成光栅的太赫兹辐射源。

背景技术：

太赫兹波(terahertzwave，简称thz)是指频率介于0.1～10thz，波长范围为3mm～30um的电磁波。太赫兹波位于远红外和亚毫米波段之间，是电子学和光子学过渡领域，具有独特的电磁波性能，如高透射性、分辨率高、能量小、相干性、频带宽等。太赫兹技术是当前开拓科学新领域的革新手段，在生物医学、材料科学、无线通讯等方面有着巨大的应用潜力。

太赫兹辐射源是太赫兹技术广泛应用的关键器件，产生方法主要包括基于半导体电子学产生太赫兹波的辐射源、基于光学和光子学方法产生太赫兹波的辐射源，以及基于真空电子学方法产生太赫兹波的辐射源。然而，大功率集成化太赫兹辐射源的匮乏，严重制约了太赫兹波在各个领域中的应用。传统真空电子器件是产生高功率微波的主要方式，然而由于高频损耗大、互作用效率低等原因，导致其向太赫兹波段拓展的困难。因此寻求新途径来产生高功率太赫兹源成为研究目标。

作为新兴的研究热点之一，石墨烯以其优良的性质已被广泛用来研究产生太赫兹波。2004年，石墨烯诞生之际，美国k.s.novoselov等人证明了石墨烯的载流子迁移率可连续变化调节，石墨烯此种性质为微波方面应用提供了新的选择。2008年，美国g.w.hansen研究了在电场偏置条件下的石墨烯层中电磁波的互作用机制，发现改变电导率，表面波的传播特性是可以控制的。2013年，西班牙sebastian等学者研究发现石墨烯表面波空间色散特性十分依赖于磁导率和基底介质的影响，并阐明基于石墨烯的介质波导中横向电磁波模式可以变化，损耗可调至最低，从而拥有更高的辐射功率。日本tohoku大学用红外光和太赫兹波先后泵浦石墨烯薄膜，充分表明可产生放大的宽频带太赫兹辐射。电子科技大学学者利用垂直和平行运动的电子注激励起石墨烯表面等离子体激元，并成功将其转化为太赫兹波段辐射。

因此，基于石墨烯表面等离子体亚波长局域增强特性，本发明采用平面带状多电子注激励石墨烯集成高频系统的方案，通过攻克平面多注电子光学系统研制的技术难点，研究平面带状多注与石墨烯表面等离子体高效互作用的难题，优化石墨烯集成高频系统的表征与制备方法，掌握平面带状多注真空电子器件集成化的系列关键工艺技术，突破真空电子器件向太赫兹波段拓展效率低功率小的瓶颈，最终提高注波互作用效率获得大输出功率的太赫兹源。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种平面多电子注激励石墨烯亚波长集成光栅的太赫兹辐射源，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种平面多电子注激励石墨烯亚波长集成光栅的太赫兹辐射源，包括：

外壳，用于保护所述太赫兹辐射源；

电子枪阴极，其设置在外壳开口的一侧，用于发射多电子注；

光栅结构，其设置在外壳内部且表面设有石墨烯层，石墨烯层表面等离子体激元与多电子注进行互作用产生太赫兹辐射；

隔板，其设置在相邻的两个电子注之间，用于隔离电子注；以及

输出端口，其设置在外壳上，用于输出太赫兹辐射。

作为本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的太赫兹辐射源在太赫兹技术领域的应用。

基于上述技术方案可知，本发明的平面多电子注激励石墨烯亚波长集成光栅的太赫兹辐射源及其应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：

(1)本发明提出了平面带状多电子注产生大电流的新方法，有利于解决太赫兹波段真空电子器件大电流电子光学系统的设计与制备难题；

(2)本发明从根本上增强电子注与集成高频系统的耦合作用，提升注-波互作用效率，解决真空电子器件向太赫兹波段发展时所面临互作用效率低输出功率的难题并能大幅度提高太赫兹辐射源的输出功率，有利于工程制管的加工和高功率太赫兹源的实现；

(3)本发明利用新型高频系统中的高次模与大电流密度带状电子注互作用，以此增大互作用结构的物理尺寸，实现辐射源的大功率输出；

(4)本发明通过攻克平面多注电子光学系统研制及石墨烯工艺等技术难点，突破真空电子器件向太赫兹波段拓展效率低功率小的瓶颈，使此太赫兹辐射源在生物医学、材料科学、无线通讯等方面有着巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源的内部三维结构示意图；

图2为本发明平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源的整体结构示意图；

图3为图1的右视方向结构示意图；

图4为外壳的仰视方向结构示意图。

附图标记说明：

1-电子枪阴极；2-多电子注；3-光栅结构；4-隔板；5-外壳；6-收集极；7-输出端口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明公开了一种石墨烯亚波长集成光栅的太赫兹辐射源，包括：

外壳，用于保护所述太赫兹辐射源；

电子枪阴极，其设置在外壳开口的一侧，用于发射多电子注；

光栅结构，其设置在外壳内部且表面设有石墨烯层，石墨烯层表面等离子体激元与多电子注进行互作用产生太赫兹辐射；

隔板，其设置在相邻的两个电子注之间，用于隔离电子注；以及

输出端口，其设置在外壳上，用于输出太赫兹辐射。

其中，所述电子枪阴极的形状包括但不仅限于带状、矩形、椭圆、圆形中的任一种。

其中，所述多电子注的电压为10-30kv。

其中，所述多电子注的形状包括带状。

其中，所述光栅结构的截面形状包括但不仅限于矩形、三角形、正弦型中的任一种或多种组合。

其中，所述光栅结构采用的材料为金属；

所述的隔板采用的材料包括金属。

其中，所述的太赫兹辐射源还包括用于收集电子注能量的收集极，所述收集极设置在外壳远离电子枪阴极的开口另一侧。

其中，所述的光栅结构的延伸方向与所述多电子注延伸方向垂直。

其中，所述外壳为两端开口的盒装结构。

其中，所述输出端口设在外壳设有光栅结构的一面上。

本发明还公开了一种如上所述的太赫兹辐射源在太赫兹技术领域的应用。

在一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：

本发明提供了一种平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源(即平面多电子注激励石墨烯亚波长集成光栅的太赫兹辐射源)，解决太赫兹真空电子器件互作用效率低及高频结构制备难的关键问题。该太赫兹辐射源包括：电子枪阴极、光栅结构、石墨烯层、平面带状多电子注通道、隔板以及收集极。其中，电子枪阴极用于发射一定电压的带状多电子注。电子枪阴极与末端的收集极之间为注波互作用区。光栅结构，设置于注-波互作用区。石墨烯层，平铺于光栅结构表面。带状多电子注通道，等距平行设置于光栅的横向位置，位于光栅上方，与电子枪阴极发射出多电子注平行。金属隔板，平行等距设置于光栅结构的横向位置，将多个带状注分离。收集极，设置于光栅结构的尾部，回收多电子注。电子枪阴极发射的平面带状多电子注经过电子注通道，与石墨烯表面等离子体激元相互作用产生太赫兹辐射，通过输出端口实现太赫兹波输出。

在另一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：

一种平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源，本太赫兹辐射源采用矩形光栅结构，引入石墨烯层加载在光栅结构表面，形成石墨烯-亚波长光栅集成高频系统；

平面带状多电子注，用于注波互作用，平行设置于光栅结构横向表面上方，通过与石墨烯-亚波长光栅集成高频系统返波机制互作用实现太赫兹辐射，在输出端口将太赫兹波输出，进而实现太赫兹波的应用。

金属隔板，用于分离平面带状多电子注，平行等距设置于光栅横向，与电子注通道方向平行，使多电子注之间的影响降低。

收集极，用于回收电子注剩余能量，设置于所述太赫兹辐射源结构的尾部位置，与所述石墨烯-亚波长光栅集成高频系统平行，使废电子注中的能量回收反馈从而提高效率。

根据权利要求1所述的平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统矩形光栅结构具有周期性。

其中，所述石墨烯层为加载在光栅结构表面的石墨烯薄层。

其中，所述隔板为带有损耗的金属板。

其中，所述电子枪阴极形状为：矩形、椭圆及圆形。

其中，所述的多电子注通道位置为石墨烯-亚波长光栅结构表面上方。

其中，收集极位于所述太赫兹辐射源的尾部。

其中，金属隔板在光栅横向等距平行放置。

其中，输出端口在所述外壳的底部，用于输出太赫兹波。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

本发明提供了一种平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源。该太赫兹辐射源采用周期性矩形光栅结构，通过将石墨烯层加载到光栅表面形成高频结构，使平面带状多电子注与亚波长光栅的高频结构发生注波互作用并产生太赫兹辐射，该结构增强了注波互作用效率并显著提高了输出功率。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源。图1为根据本实施例太赫兹辐射源的三维结构示意图。请参照图1，本实施例太赫兹辐射源包括：电子枪阴极1、带状多电子注2、光栅结构3、隔板4，外壳5，收集极6，以及输出端口7。

以下分别对本实施例平面带状多电子注激励石墨烯-亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源的各个组成部分进行详细说明。

电子枪阴极1用于发射一定电压10-30kv的平面带状多电子注2。其中，电子枪由带状阴极构成。与其相对应的，多电子注2形状也是带状结构。

光栅结构3，设置于注-波互作用区。其中，光栅结构3为矩形金属栅，光栅结构3可以将石墨烯层的石墨烯表面等离子体激元在空间衍射为太赫兹辐射。

石墨烯层，平铺于矩形光栅结构3表面，用于与带状多电子注2进行互作用产生表面等离子体激元。

隔板4，用于隔离带状多电子注2，等距设置于所述太赫兹辐射源结构的中间位置，与所述矩形光栅结构3垂直。

带状多电子注通道，位于光栅结构3表面上方，与电子枪阴极发射出的带状多电子注2平行。其中，与多电子注2形状相对应的，多电子注2通道形状为矩形光栅表面天然形成的带状，用于通过电子注2。

外壳5，其内设有光栅结构3、隔板4，多电子注2穿过外壳5进入收集极6；外壳5为两端开口的盒状结构，外壳5可以为一体结构，也可以为上下两部分组合成的盒状结构，本实施例采用上盖板和下底板组合成的盒状结构。

收集极6，设置在太赫兹辐射源结构尾部，用于收集多电子注2能量。

输出端口7，设置在外壳的底部，用于输出返波工作模式产生的太赫兹波。

电子枪阴极1发射的带状多电子注2经过电子注通道，与石墨烯-亚波长光栅结构3相互作用，激励起石墨烯表面等离子体激元并将其转化为太赫兹辐射，发生太赫兹波衍射现象。该结构增强了注波互作用效率并显著提高了输出功率。

需要说明的是：通过调节带状多电子注2之间的距离和距离光栅结构3表面的高度，可以得到此结构的最优输出功率；通过改变石墨烯的化学势及厚度可以调节工作频率，实现本实施例高功率的太赫兹辐射源。

本实施例平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源不仅实现了太赫兹波的产生，而且还通过引入带状多电子注及石墨烯-亚波长光栅结构实现了注-波互作用的增强，显著提高了太赫兹源的输出功率。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明提供一种平面带状多电子注激励石墨烯亚波长光栅集成高频系统太赫兹辐射源。该太赫兹辐射源采用平面带状多电子注作为激励，与石墨烯-亚波长光栅集成高频系统进行互作用，提高了注波互作用效率，从而产生高功率的太赫兹波辐射源，有利于大功率、高效率的太赫兹源的广泛应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。