太赫兹源场致发射电子源

通过粒子模拟(PIC)软件模拟计算了在ps级别下二极与三极结构碳纳米管场致发射的电流密度与电子注聚焦性能。阳极电压在2 kV时,二极结构下电流密度达到1.85 A/cm2;三极结构下,栅压700 V时发射电流密度达到2.3 A/cm2,且在一定的三极结构参数与电极电压下,可以获得较好的电子注聚束效果。通过碳纳米管二极管发射实验,获得了6.6 A/cm2的发射电流密度,总发射电流达到52.1 mA,可以为太赫兹器件提供连续发射的电子注。     

太赫兹通信技术研究进展

对未被分配的空闲频谱资源的需求增长,将不可避免地使无线通信系统的工作频率向更高频率的太赫兹(THz)频段发展。大数据的瞬时传输将采用更高的载波频率,以满足高传输速率的需求。大量的研究表明,THz技术在通信领域的应用与当今比较成熟的微波通信和光纤通信相比,具有更多的优点,比如说,传输速率高,方向性好,安全性高,散射小,以及穿透性好等。文章总结了THz通信的特点及其适用领域,综述了近几年国际上THz通信研究最新进展,给出了未来THz通信系统可能的发展趋势。     

基于场致发射阴极阵列的太赫兹源的物理机理研究

本文对一种基于场致发射阴极阵列(FEA)的太赫兹辐射源的物理机理进行了理论分析和粒子模拟验证. 采用场匹配法分析了器件的高频场结构, 确定π模作为器件的最优工作模式; 利用线性理论分 析了器件的注波互作用过程, 揭示了高频场对FEA阴极发射电流的预调制作用以及电子在阴阳极间隙的渡越时间效应 是器件起振的物理原因; 分析得出了π模起振条件; 粒子模拟结果与理论分析具有较好的一致性.     

碳纳米管场致电子发射新机制

基于对长达 1μm的 (5 ,5 )碳纳米管的量子力学计算 ,作者发现使碳纳米管具有优异场致电子发射特性的因素除了人们预期的尖端场增强之外 ,电荷在纳米管尖端的积累造成有效功函数 (真空势垒 )的非线性下降也起了非常重要的作用 .对外加电场Vappl=10— 14V/ μm下的碳纳米管进行了计算 ,得到与实验结果相近的发射电流     

高性能太赫兹发射:从拓扑绝缘体到拓扑自旋电子

利用飞秒激光脉冲激发铁磁/非磁异质结构有望实现高效太赫兹辐射,从而打破制约太赫兹技术快速发展的瓶颈.拓扑绝缘体是一种新型二维材料,其自旋霍尔角远大于重金属材料,可以与铁磁层结合构成自旋太赫兹发射器.为了研究拓扑绝缘体/非磁异质结中的太赫兹产生和调控机理,本综述从飞秒激光激发的超快光电流响应入手,结合拓扑绝缘体的晶体结构与电子结构,分析了拓扑绝缘体薄膜中的太赫兹发射机理,揭示了不同非线性效应产生的超快光电流随外界条件的依赖关系,证实了使用多种手段调控拓扑绝缘体出射非线性太赫兹辐射的可能性;以铁磁/重金属异质结为例,探究了自旋太赫兹发射器的优势与调控方法.结合这两种发射机理,通过非线性太赫兹与自旋太赫兹的合成作用,可以实现在拓扑绝缘体/铁磁异质结中偏振可调谐的太赫兹发射.     

太赫兹片上系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展

目前太赫兹辐射信号的功率不高,辐射带宽也较窄,这些对于生物化学、含能材料的太赫兹检测应用领域来说是一大限制因素,因此如何获得宽谱高功率的太赫兹源对于太赫兹时域光谱系统的发展是非常重要的;另一方面,常规的太赫兹系统是在自由空间传输探测的,测量过程需要在氮气或者干燥空气环境中进行,以克服空气中水的吸收干扰,同时自由空间中的光场与物质相互作用的模式又降低了物质检测的灵敏度,这对于痕量物质检测来说构成了挑战.面对这一问题,太赫兹片上系统利用微纳结构中的局域场效应实现对物质的低浓度检测,此方案有助于解决这一应用难题.综上所述,本文分成以下两部分阐述:首先阐述了纳米金属薄膜作为新的太赫兹源,它可以同时产生非相干的和相干的太赫兹信号,其输出为超过100 THz的太赫兹-红外辐射,功率高达10 mW,这种超宽谱和高功率现象主要是由于非相干的热辐射效应引起的;第二,阐述了基于不同传输线结构、不同基底材料的太赫兹片上系统结构设计和光谱应用.基于共面带状线结构和聚合物材料基底的太赫兹片上系统有着较低的损耗,能够实现超过2 THz带宽的测量和生物化学应用.     

不同电场下碳纳米管场致发射电流密度研究

本文运用密度泛函理论和金属电子论, 深入研究了碳纳米管场致发射电流的变化规律. 结果显示其发射电流密度取决于体系的态密度、赝能隙、管长和局域电场, 在不同范围电场下的变化规律不同. 在较低电场下, 发射电流密度随电场增强而近似线性增大(对应的宏观电场须小于18 V· μm^-1); 但在较高电场下, 发射电流密度随外电场增加呈现非周期性振荡增长趋势, 碳纳米管表现为电离发射. 本文进一步研究了金属性碳纳米管电导率在不同电场下的变化规律.     

电场穿透对高温超导体场致发射电流的影响

高温超导体在场致发射时伴随正常态部分的空穴的产生 ,会出现非平衡现象。这会引起超导体电子平衡态的化学势偏移 ,增加外电场在高温超导体发射体内的穿透深度 ,使导带底弯曲影响超导体场致发射的电流。     

自由电子激光相干强太赫兹源装置鬼脉冲初步研究

研究中国工程物理研究院自由电子激光相干强太赫兹源(FEL-THz)装置上鬼脉冲产生的原因及其对装置调试测量的影响,通过束流动力学模拟、热分析、蒙特卡罗模拟以及初步实验结果分析,证明了鬼脉冲将会明显破坏阻拦型测量,并会在束线管道上造成温度升高和辐射强度增大。研究表明：鬼脉冲成为限制FEL-THz装置正常工作的重要原因,为保证FEL-THz顺利出光,鬼脉冲必须予以消除,并简要讨论了鬼脉冲的消除方法。     

Modeling of terahertz radiation emission from a free‐electron laser

In this article, we report the generation of terahertz (THz) radiation using the interaction of a laser‐modulated relativistic electron beam (REB) with a surface plasma wave. Two laser beams propagating through the modulator interact with the REB, leading to velocity modulation of the beam. This results in pre‐bunching of the REB. The pre‐bunched beam travels through the drift space, where the velocity modulation translates into density modulation. The density‐modulated beam, on interacting with the surface plasma pump wave, acquires an oscillatory velocity that couples with the modulated beam density to give rise to a nonlinear current density which acts as an antenna to give THz radiation. By optimizing the parameters of the beam and the wiggler, we obtain power of the order of 10⁻⁴ using the current scheme.     

基于四波混频效应的窄带太赫兹波源

采用频率差在太赫兹范围的双波长激光器进行泵浦,利用光纤的四波混频效应,得到结构紧凑、频率可调的窄带太赫兹波源。为减小光纤材料对太赫兹波的吸收,采用了表面发射机制。从耦合波理论出发,详细分析了保偏光纤中的四波混频过程,得到了太赫兹波输出功率的解析表达式,并讨论了实现相位匹配的条件。结果表明,太赫兹波功率与泵浦光功率和光纤长度成正比,与太赫兹波长的3次方成反比。当泵浦光峰值功率为1 kW,在6 THz处得到的太赫兹波峰值功率达350 mW,功率转换效率约为0.01%。通过合理设置泵浦波长,可以实现太赫兹辐射在3~8 THz范围内连续调谐。该方案提供了一种新型的高功率、紧凑型的窄带太赫兹辐射源。     

基于四波混频效应的窄带太赫兹波源

采用频率差在太赫兹范围的双波长激光器进行泵浦,利用光纤的四波混频效应,得到结构紧凑、频率可调的窄带太赫兹波源。为减小光纤材料对太赫兹波的吸收,采用了表面发射机制。从耦合波理论出发,详细分析了保偏光纤中的四波混频过程,得到了太赫兹波输出功率的解析表达式,并讨论了实现相位匹配的条件。结果表明,太赫兹波功率与泵浦光功率和光纤长度成正比,与太赫兹波长的3次方成反比。当泵浦光峰值功率为1 kW,在6 THz处得到的太赫兹波峰值功率达350 mW,功率转换效率约为0.01%。通过合理设置泵浦波长,可以实现太赫兹辐射在3～8 THz 范围内连续调谐。该方案提供了一种新型的高功率、紧凑型的窄带太赫兹辐射源。     

太赫兹自由电子激光波荡器的设计、测量与优化

波荡器电子轨迹中心偏移和磁场误差对CTFEL装置性能影响很大,通过前期设计和后期测量与优化将其限制在指标要求范围内。在前期设计中尽量避免引入全局性的系统误差：磁结构具有平面反对称结构,保证电子轨迹中心和波荡器磁轴重合;磁结构端部的特殊设计减弱了间隙对出口磁场二次积分的影响;机械系统的大梁和立柱具有良好的刚性,闭环控制系统保证了高的波荡器间隙控制精度,这些措施降低了间隙不一致引入的磁场误差。在后期测量与优化中削弱了磁场的残存全局系统误差和局部随机误差：利用磁场点测台测量了波荡器磁场的纵向和横向分布,通过调节标准单元组件位置对磁场进行了垫补和优化,优化后电子轨迹中心偏移、峰峰值误差、相位误差、好场区及其误差均满足指标要求。     

太赫兹金属器件电铸工艺中电流密度研究

微电铸工艺是太赫兹全金属光栅器件成型的关键工序。金属光栅质量取决于电铸工艺中金属离子沉积的均匀性, 而电铸槽阴极附近电流密度的分布直接影响金属离子沉积的均匀性。在阳极与阴极间添加开孔的绝缘玻璃挡板可以改善阴极电流密度分布的均匀性, 研究了挡板与阴极的距离以及挡板开孔大小对阴极电流密度分布的影响, 仿真结果表明: 添加开孔绝缘挡板有助于改善阴极处的电流密度分布; 当添加的玻璃挡板开孔大小与阴极尺寸一致时, 挡板距离阴极越近, 阴极的电流密度分布越均匀。根据仿真结果设计了相应的挡板, 电铸工艺获得了较好质量的均匀金属层, 从而验证了上述仿真分析的有效性。     

带状电子束的空间电荷场

 利用理论分析和数值计算的方法研究了矩形波导内均匀电流密度的带状电子束模型的空间电荷场,给出了该带状电子束模型的空间电荷场的解析表达式,并研究了空间电荷场随带状电子束的几何参数和物理参数的变化规律。研究表明：在不改变电流密度的前提下,更宽的电子束可以传输更强的束流,而空间电荷场并不随束宽度的增大而增大,但是增加电子束厚度会使空间电荷场显著增强,从而不利于高流强电子束的传输;对于相同电流的带状电子束,保持电子束厚度不变,增大电子束宽度,相应地降低电流密度是降低空间电荷场的一个很好的途径,而保持电子束的宽度不变,增大束厚度,相应地降低电流密度只会使沿着电子束截面宽度方向的电场减小,而沿着电子束截面厚度方向的电场基本不变;对于相同电流和电流密度的带状电子束,更宽、更薄的电子束横截面尺寸能使沿着电子束截面宽度方向的电场降到更低,而沿着电子束截面厚度方向的电场只是略有减小。     

太赫兹自由电子激光的受激饱和实验

中国工程物理研究院基于半导体光阴极高压直流电子枪和超导直线加速器的高平均功率太赫兹自由电子激光达到了受激饱和,并实现了太赫兹光输出频率可调.在1.99,2.41和2.92 THz三个频率点上进行测试,测得太赫兹宏脉冲内平均功率大于10 W,最高达17.9 W.本文介绍了太赫兹自由电子激光装置的主要组成部分及受激饱和实验的结果.     

不同磁路电子回旋共振离子源引出实验

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点. 本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场, 有效减小了体积, 该离子源利用微波在磁场中加热电子, 电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体. 磁场在微波加热电子的过程中起关键作用, 同时影响离子源内等离子体的约束和输运. 通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响. 实验发现: 在使用氩气的条件下, 特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流, 最高推进剂利用率达60%, 最小放电损耗为120 W·A^-1; 所有离子源均存在多个工作状态, 工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变. 离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关. 通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异, 归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律, 分析了其中的机理. 实验结果表明: 保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时, 增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离, 离子源能引出更大的离子电流; 减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量, 提高气体利用率, 但会导致放电损耗增大. 研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识, 为其设计和性能优化提供参考.