太赫兹折叠波导行波管再生反馈振荡器非线性理论与模拟

行波管再生反馈振荡器是一种新型太赫兹源器件.基于560GHz折叠波导慢波结构,对此类器件的工作原理与物理模型进行分析阐述.采用非线性互作用模型对行波管再生反馈振荡器进行详细振荡过程模拟.模拟结果显示,在550—600GHz频率下可以获得稳态振荡频率,并在560GHz处获得最大单频输出功率.结果同时表明,振荡频率随电子注电压发生跳变现象,并简要分析了其产生原因.     

0.22 THz折叠波导行波管初步实验研究

探索性试验了多种微加工技术加工设计频率0.22 THz的折叠波导慢波结构,最终选择了微铣削工艺进行加工,并测试了微铣削工艺加工的WR4标准直波导的损耗特性,得到了0.22 THz电磁波在无氧铜中传播时材料的相对电导率约为3.2107 S/m。以此为基础设计和制得了国内第一支0.22 THz折叠波导行波管,经过测试和标定得到输出功率大于100 mW,带宽3.5 GHz的初步实验结果。     

0.14 THz行波管的设计与实验研究

以折叠波导作为为慢波结构进行研究分析,利用三维电磁仿真软件HFSS和CST,对0.14 THz行波管模型进行了折叠波导慢波结构、电子光学系统和输入输出窗等的模拟设计,并完成了整管的PIC注波互作用的仿真计算与优化。进行了整管的焊接工艺设计和热测实验,研制出的样管在电压15.4 kV、电流17.4 mA下,脉冲工作输出最大功率为8.3 W,输出中心频率为140.8 GHz,最大增益为28 dB,-3 dB带宽为2.9 GHz。     

0.34 THz大功率过模表面波振荡器研究

论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM₀₁模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.     

反馈调制型同轴虚阴极振荡器

 对反馈调制型同轴虚阴极振荡器进行了理论分析和数值模拟研究,结果表明:该器件通过增加同轴谐振腔结构并引入反馈可以对入射电子束形成明显的调制效果,从而使得器件具有高束波转化效率和频率单一稳定的特性;同时输出微波的频率被器件结构中的同轴谐振腔锁定,调节腔参数可以在一定范围内对输出微波频率进行调谐;在二极管电压约为600 kV,电子束功率26.2 GW条件下,可以得到平均功率3.6 GW的微波输出,转换效率达到13.7%,主频为5.5 GHz,模式为TM₀₂模。     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

0.14THz折叠波导慢波结构的损耗特性

分析了两种常用来计算等效电导率的理论公式,并加工了折叠波导慢波结构进行冷测实验验证。在粗糙度为0.3μm时,0.14THz电磁波在无氧铜中传播的等效电导率约为4×107 S/m,这与已有理论公式的计算结果并不一致。最后初步讨论了这种不一致产生的原因,并提出了修正相关理论公式的想法。     

0.14太赫兹同轴表面波振荡器研究

为了提高太赫兹表面波振荡器的输出功率,本文提出了同轴结构的表面波振荡器模型,并且获得了该同轴结构TM01模的色散曲线,采用自行研制的全电磁粒子模拟软件UNIPIC对提出的同轴结构表面波振荡器进行了模拟,结果表明器件的工作频率与圆柱结构时的表面波振荡器相同,在输出端以TEM模式传输太赫兹波,输出功率相比圆柱结构的表面波振荡器输出功率水平提高了67.8%.     

远红外波导FEL振荡器的数值模拟

利用ＦＥＬＯ８程序对远红外ＦＥＬ振荡器进行数值模拟，验证了２００ｐｍＦＥＬ的可行性，得到初始小讯号增益２５％，±１１０ｐｓ范围内的电子束时间间隔晃动对激光功率和小讯号增益影响不显著。     

太赫兹折叠波导慢波结构S参数特性

理论上分析了计算周期数对0.22 THz折叠波导慢波结构S参数的影响,讨论了折叠波导慢波结构各个尺寸参数对损耗特性的影响,研究了粗糙度与损耗特性之间的关系。通过实验验证了0.22 THz标准矩形直波导的损耗特性。对实际加工的0.22 THz折叠波导慢波结构进行了测试,得到了实际的太赫兹波折叠波导慢波结构传输与损耗特性。     

220 GHz折叠波导返波管束流光学系统设计和实验研究

本文介绍了220 GHz折叠波导行波管电子束流光学系统的设计过程。总体来讲,该系统可分为收敛性皮尔斯电子枪、磁聚束段和单极降压收集极。对于一个工作在太赫兹频段的电真空器件而言,极其细长的束流孔道让电子注以较高的流通率穿过慢波结构变得十分困难。空间电荷效应,加工装配精度和热初速等原因都是限制流通率的重要原因。研发一个具有足够流通率的实用束流光学系统对于220 GHz折叠波导返波管的研制是迫切的且十分棘手的任务。通过理论方法和数值工具,系统的三个部分将先后被设计,以满足束波互作用分析提出的电子注要求。基于这样的设计和开展的误差分析,流通管样管成功封管并进行了初步测试。实验数据表明这样的束流光学系统可以产生15.4 kV,22 mA的电子注,并能以80%以上的流通率通过直径0.19 mm,长30 mm的束流管道。     

2.9THz束缚态向连续态跃迁量子级联激光器研制

采用气源分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs束缚态向连续 态跃迁的太赫兹量子级联激光器材料, 基于半绝缘等离子体波导工艺制作了太赫兹量子级联激光器. 测量了激光器的发射光谱和功率-电流-电压关系曲线, 研究了器件的激光特性. 器件激射频率约2.95 THz, 脉冲模式下, 最高工作温度为67 K. 连续波模式下, 阈值电流密度最低为230 A/cm², 最大光输出功率1.2 mW, 最高工作温度为30 K. 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 分子束外延 波导     

0.14THz高功率太赫兹脉冲的频率测量

提出了采用截止波导法与谐波混频法相结合的方式,进行0.14THz高功率短脉冲的频率测量.首先将两个截止频率分别为0.125和0.15THz的非标准矩形波导作为接收端,通过截止波导滤波法获得了太赫兹辐射源的频率范围.然后根据已知的频率范围,将本振频率选择为15—20GHz,则谐波混频的谐波次数确定为8.随后的Ka波段的脉冲测试和0.14THz连续波测试表明,该8次谐波混频器可用于0.14THz脉冲的混频测量.最后,0.14THz脉冲频率测量实验给出了太赫兹辐射源的准确频率为0.1465THz.该方法大大降低了对本振信号的频率要求,且结果准确可信,为长波段太赫兹脉冲的频率测量提供了一种新的思路.