射频远红外波导自由电子激光器的新特性

将射频调制的超短脉冲电子束理想化为一系列δ时间函数,提出了用波导本征模展开的方法计算波导自由电子激光器中超短脉冲电子束的相干同步辐射.结果发现当谐振频率等于直线加速器射频的整数倍时,辐射模式表现为”纯”的波导本征模另外分析了超短脉冲在矩形波导中相干发射的频率特性和滑移问题,最后推导了有一定脉宽的矩形脉冲对辐射波的增益解析式.     

结构参数对折叠波导行波管工作性能的影响

分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明:互作用区衰减常数随b/a的增大而减小, 耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小, 存在最优值。电子束通道越大, 衰减常数越大, 耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道, 增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量, 可适当增加折叠波导的高度;在保证电子束能够顺利传输的前提下, 电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中, 可依据具体的实验条件和要求, 在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。     

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     

双介质加载石墨烯表面等离子激元波导的理论分析

在介质加载石墨烯等离子激元波导的基础上设计了一种由两个高折射率介质条形成的双介质加载石墨烯表面等离子激元波导(DDLGSPPW)。采用有效折射率法和有限元法研究在DDLGSPPW中石墨烯表面等离子激元(GSPP)模的有效折射率随入射波长、介质条2的宽度、高度以及介电常数的变化规律。结果表明,通过改变DDLGSPPW的介质条2的参数来改变GSPP模的有效折射率和模式数目,并调节GSPP模在两个介质条中场分布情况,表现出的性质和四层介质平板波导的性质很相似。DDLGSPPW的这种性质使其有望在集成光学器件中产生新的应用价值。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争的物理分析和数值模拟

作为一种紧凑型高功率微波器件,磁绝缘线振荡器在起振过程中容易出现模式竞争现象,如果不能对其进行有效抑制,可能导致器件的最终输出性能下降.由于磁绝缘线振荡器中波束互作用区通常采用同轴盘荷波导作为其慢波结构,因此本文从同轴盘荷波导中几个可能被相对论电子束激发的低阶本征模与电子束之间的色散关系入手,分析了三种类型的模式竞争的特点、产生的可能原因以及削弱方法.基于以上分析,给出了一种高功率紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的物理模型,并利用全电磁三维粒子程序对其进行了冷腔和热腔的数值模拟.结果表明,由于结构不完全对称和电子发射可能存在一定的非均匀性,器件运行初期互作用区有竞争模式HEM_(11)模出现,与理论分析一致;起振一小段时间后(10 ns左右),互作用区基模增长加快,高阶模被抑制.进一步优化后器件在基模获得了高效率和高功率微波输出,饱和时输出功率约为8.1 GW,输出效率达到了18%,模式纯度约为97%.本文研究结果可为磁绝缘线振荡器运行过程中出现的竞争模式的识别和输出性能优化提供理论参考和依据.     

不对称左手介质平板波导模式特性分析

对不对称左手介质平板波导的几个低阶的TE模和TM模进行了数值计算,得到了模式特征方程,分析了归一化传播常数β/k_0随平板厚度d变化的色散关系,作出了模式的电场E_y(x)分布．在左手介质平板波导中,每一模式都有截止点, TE_0模和TM_0模不出现,在我们给出的特定的介质参数下,TE_1模和TM_1模不能和其他高阶模式共存,其归一化传播常数β/ k_0随k_0d的增加而减小．给出的结果对左手介质元器件的研究有实际的参考意义．     

有增益及损耗的平板波导导模的精确微扰分析

给出求含有增益层与损耗层的突变与渐变折射率剖面多层平板波导导模的微扰与解析计算公式。举例讨论了导模模式的增益（或损耗）与结构参数和偏振的关系，本文方法较求解复本征值的打靶法等简便且节省机时，对于（半导体激光器与半导体激光放大器等）实际遇到的波导结构能给出精确数值结果，并可用以分析材料的增益系数或损耗对ＴＥ和ＴＭ模式及其增益的影响等问题。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求,设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构,降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式;设计采用多腔多间隙群聚结构,降低了输入微波功率的需求,提高了器件放大增益;并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构,提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计,粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW,器件放大增益约为60 dB,功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV,电流5.1 kA的情况下,输出功率为0.99 GW,放大增益约为53 dB,转换效率约为35%。     

一种由椭圆形金属和介质纳米线组成的混合表面等离子体光波导的基模控制特性研究

本文研究了一种由三根并排放置的椭圆形金属-介质-金属纳米线构成的混合表面等离子体光波导所支持的电磁场基模的控制特性,中间是高折射率的介质纳米线,左右是两根对称放置的金属纳米线。研究结果表明,基模电磁场增强效应主要分布在三根纳米线形成的两个间隙区域,且对整个结构的几何参数有一定依赖性。因此,通过改变纳米线的几何尺寸、两根纳米线之间的间距以及介质的电磁参数,可以调整和控制这种波导所支持的基模的有效折射率、模式传输距离、归一化的模式面积和模式束缚因子等物理特性。基于这些有效的模式操控特性,这种混合型的表面等离子体光波导可以应用于高密度光子器件集成、纳米光子学和生物传感器等领域。     

增益波导垂直腔面发射激光器中的模式分析及实验研究

本文研究了增益波导垂直腔面发射激光器的横向及纵向模式特性。采用二维延伸抛物型复折射率波导结构从理论上分析了增益波导垂直腔面发射激光器中模式的横向电场分布、模式间隔、模式增益对远场分布图和光束发射角、耦合效率等.实验中在阈值电流之上既观测到稳定的基模工作,也观测到高阶非简并模工作等不同的光谱结构及远场分布,理论和实验基本吻合.     

The Cerenkov Maser at Millimeter Wavelengths

The dispersion relation for the transverse magnetic modes (TMon,) of a partially filled, dielectric-lined, cylindrical waveguide driven by a cold relativistic electron beam is derived. The effect of a gap between the electron beam and the dielectric liner is included. The dispersion relation is then used to calculate the growth rate for the Cerenkov instability in the collective tenuous beam limit. Expressions are developed for the minimum current necessary for oscillation threshold and for the power output of the Cerenkov maser in the collective regime.     

Many-particle quantum theory for a class of free-electron devices

The small signal, cold beam regime of a wide class of free-electron lasers including magnetic and optical helical wigglers and stimulated Cerenkov radiation is discussed based on the many-particle fully quantized Bambini-Renieri Hamiltonian. The central topic is the photon statistics under various conditions and the significance of cooperative effects.     

Cereukov自由电子激光与Undulator自由电子激光的基本特性的比较

在经过对Cereukov自由电子激光原理分析后，本文将其与Undulator自由电子激光的基本特性进行了比较。     

Cerenkov radiation fields in an inhomogeneously filled circular waveguide

Cerenkov radiation fields excited in a partially filled circular waveguide with a channel in which an electron beam propagates are studied. The surface of the channel is covered by a thin quasi-conducting layer to remove the electrostatic charge due to the beam passage. The effect of the thickness of the cylindrical dielectric layer is investigated. The thin quasi-conducting layer is shown to attenuate the Cerenkov waves generated in the lossless medium only slightly.     

A slow wave free-electron laser

A simple calculation of a free-electron laser in the Compton regime that uses a dielectric-lined waveguide is presented. The introduction of a dielectric lining in a free-electron laser considerably reduces the requirements on beam voltage for generating a given frequency ω₁=k₀c/(1 - v_b η/c), where k₀ is the wiggler wave period η is the effective index of refraction (1<η<√ϵ) and ϵ is the permittivity. The system supports electromagnetic waves whose Poynting flux is largely concentrated in the dielectric; hence the electron beam is required to propagate close to the dielectric lining. The mode structure and dispersion behavior of the guiding system without the beam are discussed. a thin annular beam is introduced, and a perturbation theory is used to obtain the frequency and growth rate of radiation     

圆波导契伦柯夫自由电子激光流体描述

用磁流体理论研究了契伦柯夫自由电子激光的性质,导出了空心束驱动的圆柱对称波导契伦柯夫自由电子激光的色散关系,利用色散关系计算了契伦柯夫不稳定性增长率,给出了饱和功率的估计值,考虑了束与介质间间隙对契伦柯夫自由电子激光的影响,并就空心束与实心束情况进行了比较。     

Excitation of Electromagnetic Modes in a Dielectric-Loaded Waveguide via Cyclotron Resonance Interaction

An analytical treatment of the excitation of electromagnetic modes by an axial electron beam in a cylindrical waveguide partially loaded with a dielectric is presented. Equations describing the mode structure of the waves are obtained in cylindrical geometry. Using apropriate boundary conditions a dispersion relation is derived in the weak-beam approximation (?b >> ?). In addition to the conventional Cerenkov interaction, the slow-cyclotron resonance interaction (? ? ?V0 - ?c), which involves the coupling of the TM mode of the waveguide with the slow cyclotron beam mode, is also seen to be important. The growth rate of the instability scales as n01/2 (where n0 is the beam density), decreases with an increase in V0, and is rather insensitive to the variation in the magnetic field.     

空心介质波导契伦可夫辐射器的粒子模拟

用扩展的1((2)/(2))维相对论电磁模粒子模拟程序模拟了由一束相对论电子,当它以超介质中光速的速率通过一空心介质波导时,所产生的契伦可夫辐射过程。模拟结果表明契伦可夫过程是一种具有很大潜力的高功率短波长辐射源。     

介质加载的矩形截面Cerenkov脉塞中带状电子注与慢波结构互作用的研究

本文建立了介质加载的矩形截面Cerenkov脉塞中带状电子注与慢波结构互作用的三维物理模型. 采用Borgnis函数法和场匹配法求解了多层介质中场的匹配问题, 获得了注波互作用结构的混合模热色散方程(含电子注)及其近似解. 通过数值计算, 分析了热态下介质层厚度、电子注电压、电流密度、电子注厚度及电子注与 介质层间隙距离等主要结构和电参数对注波互作用增长率的影响.     

Submillimeter Cerenkov radiation from a dc electron beam

A dc electron beam is shot at a low distance parallel to the plane surface of a dielectric. The Cerenkov radiation produced in the dielectric is observed. It has a continuous spectrum which was determined interferometrically in the 0.6...3 mm wavelength region. The measured dependences on beam voltage, current, and distance agree with theory within the experimental errors. The produced absolute spectral intensities were in the order of 10^?19 watt/cps.