THz波段金属光子晶体的带隙及缺陷特性分析

研究了一种适用于太赫兹器件的二维金属光子晶体结构,该结构为正方晶格的二维铜柱光子晶体。首先用时域有限差分法计算分析了它的带隙结构,讨论了带隙随着填充比的变化规律,接着讨论了引入点缺陷时所产生的缺陷模特性,得到了点缺陷所对应的缺陷模场分布图。研究结果为THz波段光子晶体器件的开发及制作提供了理论依据。     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点.     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点. 关键词： 金属光子晶体 频域有限差分法 全禁带     

紫外线波段一维Ag/MgF_2光子特性的理论研究

利用传输矩阵方法对一维Ag/MgF2光子晶体的带隙特性进行了研究。构建了由Ag和MgF2组成的一维光子晶体结构模型,以此模型为基础详细讨论了填充比、周期层数、入射角等参数对光子晶体带隙结构的影响,并讨论了造成吸收的原因。研究结果表明,与其他金属光子晶体的研究结果相比,该结构的金属光子晶体在紫外线波段具有高反射率的光子带隙,属于不完全带隙的一维光子晶体,适用于制作紫外线波段的光学反射镜。     

二维复式晶格完全带隙光子晶体缺陷频率的分析

提出了一种具有完全带隙的二维复式晶格光子晶体,该晶体是在二维正方形格子中,旋转截面为正方形的柱子,同时在每个原胞中心引入圆形截面的柱子而形成的,并在其中引入点缺陷。运用平面波展开法并结合超晶胞理论分析此缺陷态光子晶体的频率特性。仿真结果表明,通过调节缺陷的尺寸、角度等结构参量,可以改变缺陷态频率的位置,使TE和TM模缺陷态频率一致,TE模和TM模同时谐振,处于缺陷态频率的入射光就能够完全耦合进点缺陷,具有较高的耦合效率。这种结构的复式晶格完全带隙光子晶体为制作完全带隙光子晶体谐振腔提供了理论基础。     

可见光波段SiO2/CdSe一维光子晶体及缺陷模的研究究

采用SiO2/CdSe构建了可见光波段一维光子晶体结构,并在其中引入LiTaO3缺陷层。利用传输矩阵法,分析了电磁波在无缺陷与含LiTaO3缺陷层两种光子晶体中的带隙结构,系统地研究了缺陷层参数对光子晶体可见光波段带隙结构的影响规律。计算结果表明：LiTaO3的引入,有利于带隙宽度的增加,调整缺陷层结构参数,缺陷模的位置可在不同颜色区域出现,如红光、黄光等缺陷模。该结构有望用于制作可见光波段的滤波器。     

填充率渐变型波状结构二维光子晶体

填充率渐变引起的能带结构和等频面结构的变化是填充率渐变型波状结构二维(2D)光子晶体(PC)产生光路转弯现象的根本原因,由于TM模和TE模在能带结构上存在差异,光路转弯现象就具有明显的偏振选择特性,能够实现归一化频率a/λ为0.29~0.33的偏振分束。利用时域有限差分(FDTD)法模拟了TM模的U型转弯波导,发现出射光位置对入射波长和入射角的变化很敏感,位移变化量分别达到0.38μm/10 nm和0.29μm/(°)。利用TM模的U型转弯波导构建了新型的平行平面谐振腔,并指出由填充率渐变型波状结构二维光子晶体和一维多层薄膜构成的混合结构在光分束和抑制光束发散方面的作用及其在平行平面谐振腔中的潜在应用。     

可见光波段SiO_2/CdSe一维光子晶体及缺陷模的研究

采用SiO_2/CdSe构建了可见光波段一维光子晶体结构,并在其中引入LiTaO_3缺陷层。利用传输矩阵法,分析了电磁波在无缺陷与含LiTaO_3缺陷层两种光子晶体中的带隙结构,研究了缺陷层参量对光子晶体可见光波段带隙结构的影响规律。计算结果表明:LiTaO_3的引入,有利于带隙宽度的增加,调整缺陷层结构参量,缺陷模的位置可在不同颜色区域出现,如红光、黄光等缺陷模。该结构有望用于制作可见光波段的滤波器。     

用传输矩阵法(TMM)研究二维光子晶体传输特性

将传输矩阵法(TMM)用于光子晶体传输特性的理论研究，采用Mur近似吸收边界和周期边界来截断计算区域，研究了以TM模正入射时，二维方格子光子晶体在完整周期结构下和有缺陷结构下的透过率谱；在微波波段制作了光子晶体模型，并设计了实验装置；实验与数值模拟计算取得了基本一致的结果。     

由光子晶体局域模对称关系分析其简并性

使用平面波展开法计算了二维正方格子介质柱光子晶体在改变中央介质柱半径的情况下谐振腔的模式，根据所计算的局域模式场分布的对称关系，研究了二维光子晶体谐振腔模式的简并性.结果表明：具有C4v对称群光子晶体谐振腔，存在着二重简并偶极模和二重简并六极模，同时也存在非简并单极模和四极模，二重简并模的90°旋转态与其形成简并对.模式的简并与非简并可以直观地通过考察模式场分布的对称关系而得到.     

Demonstration of a 17-GHz, high-gradient accelerator with a photonic-band-gap structure

We report the testing of a high gradient electron accelerator with a photonic-band-gap (PBG) structure. The photonic-band-gap structure confines a fundamental TM(01)-like accelerating mode, but does not support higher-order modes (HOM). The absence of HOM is a major advantage of the PBG accelerator, since it suppresses dangerous beam instabilities caused by wakefields. The PBG structure was designed as a triangular lattice of metal rods with a missing central rod forming a defect confining the TM(01)-like mode and allowing the electron beam to propagate along the axis. The design frequency of the six-cell structure was 17.14 GHz. The PBG structure was excited by 2 MW, 100 ns pulses. A 16.5 MeV electron beam was transmitted through the PBG accelerator. The observed electron beam energy gain of 1.4 MeV corresponds to an accelerating gradient of 35 MV/m, in excellent agreement with theory.     

Photonic-band-gap resonator gyrotron.

We report the design and experimental demonstration of a gyrotron oscillator using a photonic-band-gap (PBG) structure to eliminate mode competition in a highly overmoded resonator. The PBG cavity supports a TE(041)-like mode at 140 GHz and is designed to have no competing modes over a minimum frequency range delta omega/omega of 30% about the design mode. Experimental operation of a PBG gyrotron at 68 kV and 5 A produced 25 kW of peak power in the design mode. No other modes were observed over the full predicted operating range about the design mode. PBG cavities show great promise for applications in vacuum electron devices in the millimeter- and submillimeter-wave bands.     

正三角形晶格金属柱光子带隙结构

采用有限差分法分析了正三角形晶格金属柱光子带隙(PBG)结构中TE模式的色散特性,导出了全局带隙分布图, 探讨了一套系统的设计指定本征频率PBG结构的方法。结果表明,金属柱半径与晶格常数的比值越小,越有利于PBG谐振腔的圆波导耦合输出。说明了类比圆柱波导设计回旋管的可能性。     

C波段全密封加速管研制

 介绍了一台1.5MeV的C波段便携式无损电子直线加速器的全密封加速管的设计、微波冷测和研制,热测结果表明该加速管满足加速器的设计要求。     

X波段盘圈加速结构(DAW)优化设计

介绍了X波段DAW加速结构的优化过程.给出了利用SUPERFISH程序进行腔形优化的数学模型以及利用该模型对X波段DAW结构的优化设计结果.给出了利用MAFIA400程序对加支撑杆的DAW结构进行优化设计的结果,讨论了支撑杆对DAW结构微波特性的影响.同时,对DAW加速结构有无支撑杆的色散曲线分别进行了计算,对Washer支撑杆对DAW加速结构色散特性的影响进行了讨论.     

X波段PBG加速结构的数值模拟和加工研究

利用3D电磁场模拟计算软件, 对X波段的金属PBG加速结构进行了模拟计算. 设计了11.42GHz的光速段行波加速腔, 并进行了耦合器调配的计算和模拟. 最后, 研究了电铸加工的方法, 并通过模拟计算给出了加工公差.     

射频超导腔的研究新进展

 射频超导谐振腔已经大规模地应用到粒子加速器领域，其优越之处在于它可以在CW模式或长宏脉冲模式下，提供高的加速梯度。射频超导已经成为自由电子激光和能量回收直线加速器的关键技术。经过30多年的研究发展，解决了超导腔的热崩溃、场致发射等诸多关键问题，目前加速梯度已经超过40 MV/m。高加速梯度的获得是射频超导领域的前沿热点，电抛光＋低温热处理技术使射频超导腔的加速梯度提高3～4 MV/m。最新发展起来的超导腔的干式处理可以改善超导腔的表面状况，提高超导腔的Q值，抑制次级电子发射效应，有可能成为提高超导腔性能的又一有效手段。     

Physical calculation for an X-band hybrid dielectric-iris-loaded accelerator

A small, high performance X-band hybrid dielectric-iris-loaded travelling-wave linac with the length of 1.47 m and the maximum accelerating gradient of 45 MV/m has been designed. The beam energy of 33 MeV, the energy spread of 0.5%, the beam emittance of about 5.7 πmm·mrad and the capture efficiency of 40% are reached by adjusting the sizes of the accelerating cavities and the phase velocity. The attenuation per unit length of structure, the shunt impedance Rs, the quality factor Q, the group velocity and the phase velocity are also presented.     

Coupler design for an L-band electron linac

The RF coupler is a key component for an accelerating structure which is the most important component for a linac. In order to feed microwave power into the accelerating cavities effectively, the coupler has to be well matched with the feeding waveguide. In this paper, an electron linac coupler was designed, constructed and tested. A numerical simulation method based on the Kyhl's method was employed to search for the optimal dimensions of the coupler. The frequency and the coupling coefficient as a function of the coupler dimensions were also calculated. The results fitted the Kyhl's method simulation results well and gave tolerances of the coupler. The coupler was brazed to the accelerating cavities and it was cold-tested and hot-tested. The experimental results were consistent with the numerical simulation results.     

强流直线感应加速腔微波特性

 介绍了确定不同加速间隙形状和设计结构的强流直线感应加速腔微波特性的方法,即确定频域中加速腔横向阻抗值的方法,包括数值模拟和实验测试。 横向阻抗测试实验中采用了两种测试方法:一种为同轴线束流模拟法,另一种为对加速腔形状因子的测试。实验中测试了3种不同的腔型,并和数值模拟结果进行了比较。两种横向阻抗的测试方法所得结果都与计算结果基本符合,从测试过程的繁简程度和多次实验结果的重复性来看,对于强流直线感应加速腔来说,形状因子值测试方法优于双芯同轴线束流模拟法。实验测试和数值模拟结果显示,确定直线感应加速腔横向阻抗值,测试实验和数值模拟是相辅相成的,缺一不可。