THz回旋自谐振脉塞多模束波互作用非线性模拟

为了有效分析模式竞争,建立了回旋自谐振脉塞（CARM）多模束波互作用自洽非线性理论模型,并具体模拟研究了工作模式为TM51、频率为0.35 THz的高阶横磁模CARM中大轨道相对论电子束与多电磁模式的互作用过程。模拟结果表明:与回旋管不同,THz频段CARM可以有效工作于高阶TM模式,且具有较高的输出功率和增益;通过对工作参数的优化,可使工作模式的功率增长具有绝对优势,而竞争模式得到有效抑制;高阶TM模式THz频段CARM的性能对工作参数的变化十分敏感,在参数设计过程中必须对其进行多模束波互作用模拟分析。     

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.     

0.34 THz双注高次模折叠波导行波管高频系统设计

高频系统是行波管的核心部件,它会直接影响行波管的工作频率、带宽、增益等性能指标。为了获得更大的输出功率和更高的增益,对0.34 THz双注高次模折叠波导行波管的基本特性进行了研究,计算了双注折叠波导的色散特性和耦合阻抗,并与仿真结果进行对比,结果显示色散特性随频率升高差距增大,耦合阻抗在高频段匹配较好,并研究了损耗特性。利用CST仿真工作室对双注折叠波导的注波互作用特性进行了仿真,实现41.68 W输出。为了获得更高的输出,通过增大直波导高度,最终使输出功率提高了52.7%,达到63.12 W。最后设计了符合要求的盒型输出窗和模式转换器,验证了高频系统的传输特性。     

增益饱和对光学差频产生太赫兹辐射的功率和稳定性的影响

数值模拟并分析了以GaSe晶体为例对光学差频产生太赫兹（THz）波的特性.结果表明：当THz波长为227.5 μm,晶体长度为26.3 mm时,产生THz波功率达到增益饱和,在增益饱和点输出最高峰值功率可以达到945 W.由于晶体吸收的影响,THz波的增益饱和区是输出功率的非稳定区,而THz波的输出稳定区位于增益饱和区之后,在稳定区的THz波稳定性取决于抽运光的稳定性.当THz波波长为227.5 μm时,达到稳定区所需晶体长度为37.9 mm,此时THz波输出峰值功率可以达到735 W. 关键词： 光学差频 太赫兹辐射 稳定性     

光泵THz激光器输出频率稳定特性研究

在太赫兹(THz)成像、雷达探测、相干通信等许多应用领域中,THz辐射源的频率稳定性是直接影响其应用效果的核心问题之一。基于双光子迁移效应建立了光泵THz激光器输出激光频率漂移的物理模型,推导出THz激光频率漂移的解析计算公式。以光泵甲醇(CH₃OH)为例, 给出了不同压强下的甲醇吸收谱线,定量分析了泵浦光频率漂移和泵浦功率对THz激光频率稳定性的影响,并讨论了THz激光腔内工作气体压强对THz激光频率漂移的影响。研究结果表明：随着泵浦光功率的增加,THz激光频率的漂移量逐渐增加;随着THz腔内工作气体压强升高,THz激光的频率漂移逐渐下降;当泵浦光频率漂移量在一定范围时,将出现THz激光的频率漂移量极值,且泵浦光的频率漂移量等于工作气体吸收谱线宽度的1/4时,THz激光输出的频率漂移达到极值。由此可见,在实际工作中,不仅需要合理选择腔内的工作条件(压强、温度),而且还需要采取措施将泵浦光的频率漂移控制在一定范围以内,以提高THz激光的输出频率稳定性。     

并行多注THz折叠波导行波管的理论分析与数值模拟

为了提高THz行波管的输出功率,通过并行多注和功率合成的方法,完成了并行多注D波段折叠波导行波管的理论分析与数值模拟。计算结果表明:单束行波管在0.135～0.157THz频率区间具有很好的色散平坦度,3dB带宽为13GHz,0.14THz处获得了20.88dB的最大增益;多束合成行波管在0.14THz处获得了20.8dB的合成增益,3dB带宽区间合成效率不低于92%。数值模拟表明该方法很好地实现了多路放大信号的合成输出。并行多注行波管具有输出功率大、单束电流小、聚焦磁场低等优点,能够在低发射电流密度条件下实现大功率THz辐射。     

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。     

Cr4+∶YAG被动调Q微晶片激光器重复频率稳定性研究

对连续激光二极管抽运Nd∶YVO4/Cr4+∶YAG被动调Q微晶片激光器输出激光重复频率的稳定性进行了理论和实验研究.结果表明,谐振腔内存在最佳净增益,可以使激光器工作在稳定区.通过优化腔内的净增益,耦合输出镜反射率为85%,饱和吸收体初始透射率为70%,抽运功率从1.05 W到1.20 W的情况下,激光器工作在稳定区.当抽运功率为1.16 W时,获得了重复频率为19.48 kHz,稳定性优于0.68%(RMS)的高重复频率激光输出.进一步分析了抽运功率抖动对输出激光重复频率稳定性的影响.结果表明,激光器进入稳定区之后,抽运功率的抖动是制约输出激光重复频率稳定性进一步提高的最主要因素.针对抽运功率抖动带来的影响,讨论了增益预抽运技术,并比较了其优缺点.     

Cr^4＋：YAG被动调Q微晶片激光器重复频率稳定性研究

对连续激光二极管抽运Nd：YVO4/Cr4 ：YAG被动调Q微晶片激光器输出激光重复频率的稳定性进行了理论和实验研究结果表明,谐振腔内存在最佳净增益,可以使激光器工作在稳定区通过优化腔内的净增益,耦合输出镜反射率为85%,饱和吸收体初始透射率为70%,抽运功率从1.05 W到1.20 W的情况下,激光器工作在稳定区当抽运功率为1.16 W时,获得了重复频率为19.48 kHz,稳定性优于0.68%(RMS)的高重复频率激光输出进一步分析了抽运功率抖动对输出激光重复频率稳定性的影响结果表明,激光器进入稳定区之后,抽运功率的抖动是制约输出激光重复频率稳定性进一步提高的最主要因素针对抽运功率抖动带来的影响,讨论了增益预抽运技术,并比较了其优缺点.     

0.14THz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0.14THz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15.4kV、电流17.4mA下,脉冲工作输出最大功率为8.3 W,输出中心频率为140.8GHz,最大增益为28dB,-3dB带宽为2.9GHz。     

Design of a CW 1 THz Gyrotron (Gyrotron Fu Cw III) Using a 20 T Superconducting Magnet

Design of a CW 1 THz gyrotron at second harmonic operation using a 20 T superconducting magnet has been described. The mode competition analysis is employed to investigate operation conditions of second harmonic mode, which is being excited at the frequency ranging from 920 GHz to 1014 GHz. The output power up to 250 watt corresponding to the efficiency of 4.16 percent could be achieved by using an electron beam with accelerating voltage 30 kV and current 200 mA. The important advantage of this gyrotron is that the single mode excitation at second harmonic, and extremely high frequency of the radiation, could be maintained even at high currents. It opens possibility to realize a high power radiation source at 1 THz. Such gyrotron is under construction at FIR Center, University of Fukui.     

Design of a new compact THz source based on Smith-Purcell radiation

In recent years, people are dedicated to the research work of finding compact THz sources with high emission power. Smith-Purcell radiation is qualified for the possibility of coherent enhancement due to the effect of FEL mechanism. The compact experiment device is expected to produce hundreds mW level THz ray. The electron beam with good quality is provided under the optimized design of the electron gun. Besides, the grating is designed as an oscillator without any external feedbacks. While the beam passes through the grating surface, the beam bunching will be strong and the second harmonics enhancement will be evident, as is seen from the simulation results.     

Design of a Powerful and Compact THZ Oscillator

According to simulations, a Large Orbit Gyrotron with a 30 keV/1 A electron beam and magnetic field of 5 T can produce CW radiation with output power of 10²−10³ W at the frequencies of 0.4–0.5 THz.     

Design of a new compact THz source based on Smith-Purcell radiation

In recent years, people are dedicated to the research work of finding compact THz sources with high emission power. Smith-Purcell radiation is qualified for the possibility of coherent enhancement due to the effect of FEL mechanism. The compact experiment device is expected to produce hundreds mW level THz ray. The electron beam with good quality is provided under the optimized design of the electron gun. Besides, the grating is designed as an oscillator without any external feedbacks. While the beam passes through the grating surface, the beam bunching will be strong and the second harmonics enhancement will be evident, as is seen from the simulation results.     

用于真空电子太赫兹器件的微型热阴极电子束源研究

太赫兹波辐射源是太赫兹(THz)波技术的关键.真空电子太赫兹器件在高频、大功率太赫兹源发展中较其他技术有明显的优势,微米尺度高电流密度微型电子束源则是研制真空电子太赫兹器件的核心之一.本文在研制低温、大电流纳米粒子氧化钪掺杂含钪扩散阴极(nanosized-scandia doped dispenser cathode)的基础上,采用发射抑制膜沉积与聚焦离子束(FIB)刻蚀技术,研制无需压缩直接提供高电流密度的微型电子束的电子源.所研究的电子束源直径400μm,在工作温度950fiC,提供空间电荷限制电流密度50 A/cm2时,已稳定工作1000 h以上,并且层流性良好.本文阐述了阴极制备工艺、电子发射特性、微米尺度电子束源的获得和特性,介绍了发射抑制膜的结构和抑制特性的评估.并探讨了镀膜和刻蚀对发射的影响机理.这一电子束源在常规毫米尺度电子源的基础上产生微米尺度的微区高电流密度的电子束,为真空电子太赫兹辐射源的研制提供了新的途径.     

Nonlinear dynamics of planar gyrotrons with transverse diffraction coupling of radiation

We propose that the planar geometry of the interaction space and transverse (relative to the direction of translatory motion of electrons) power extraction be used for increasing the integrated radiation power of short-wavelength gyrotrons. The advantage of such a scheme over the traditional cylindrical geometry of gyrotrons is the possibility to ensure coherence of radiation for a large superdimensionality factor due to diffraction mechanism of mode selection in the open transverse coordinate and locking of radiation from various fractions of the ribbon-shaped polyhelical electron beam by transverse energy fluxes. Simulation of the non-linear dynamics of a planar gyrotron demonstrates the possibility of attaining the output power of hundreds of kilowatts at frequencies of up to 1 THz. A further increase in the output power to the megawatt level can be attained by using resonators with a nonuniform profile, for which the gap between the plates increases from the center to the periphery. Such a configuration is analogous to unstable optical resonators used in some powerful lasers.     

低功率驱动的高功率微波放大器实验研究

在器件设计上,针对低功率驱动的高功率微波放大器或高增益放大器中的高次模激励和自激振荡问题,采取了降低电子束同器件前端结构耦合等措施,来保证器件在工作区间完全处于放大状态,通过PIC模拟,设计了低功率驱动的S波段高功率微波放大器(电子束:流强7.5 kA,电子能量750 kV),注入微波6.8 kW时,模拟微波输出功率1.7 GW,增益53.9 dB.在Sinus加速器平台上开展了相应的实验研究: 注入微波62 kW时,微波输出功率达到2.04 GW(电子束:流强8 kA,电子能量800 kV), 输出频率 关键词： 高功率微波 微波器件 高增益 模式控制