开敞型角向周期加载金属柱圆波导的注波互作用线性理论研究

提出了一种可应用于毫米波功率放大器中的新型慢波结构——-开敞型角向周期 加载金属柱圆波导结构,并且在互作用通道内,引入了薄环形电子注, 推导出了此时的"热"色散方程,并且对基于该新型慢波结构的行波管的 小信号增益特性进行了深入探讨.通过数值方法 研究了金属柱尺寸和电子注参数 对器件线性特性的影响. 结果表明: 通过对金属柱尺寸的适当设计, 可以获得更高的增益值. 与封闭型结构的比较结果表明, 开敞型角向周期加载金属柱圆波导结构能够 有效地提高小信号增益, 并且对带宽的影响不大. 研究结果为研制基于此新型慢波系统的毫米波行波管奠定了理论基础.     

太赫兹金属线波导耦合模理论研究(英文)

基于耦合模假设,研究了描述两太赫兹金属线波导之间耦合特性的耦合模理论.通过采用与光波导耦合模理论等价的近似,研究得到了耦合方程和耦合系数表达式.进而,研究得到了两个相同金属线波导的耦合方程解及耦合特性.所提出的理论对于描述两金属线波导之间的能量传递具有重要的意义.     

介质平面波导TE0模衍射场的光束参量

对于傍轴光束，提出了介质平面波导衍射场的近场模场半宽度、远场发散角半宽度和光束传输因子M^2等光束参量之间满足简单的关系式，三个光束参量均可直接由波导模式场分布精确计算，或由可实际精确测量的远场衍射频谱分布精确计算。M^2因子的计算公式可表述为以二阶矩和微分算子定义的近场模场半宽度的比值，或以二阶矩和微分算子定义的远场发散角半宽度的比值。最后推导出介质平面波导TE0模衍射场光束参量的解析函数和光束参量的范围。     

衍射波导用于大视场角的物理问题

衍射光栅已在波导中得到广泛应用,能将光束或图像从耦入端传输并在预定位置耦合输出,不过在应用于诸如增强现实/虚拟现实等大视场角(field of view, FOV)、彩色光源时会存在FOV不匹配、视场缺失、出射不均匀等问题.故从这些物理问题出发,推导出衍射波导的FOV上限、视场完整的理论边界公式,在此基础上再分别针对单色波和复色波进行深入研究.得出单层衍射波导在常规高折射率n=1.75条件下,支持单色波FOV理论上限约48°,支持复色波颜色系数q=1.3的FOV理论上限26.4°,更大FOV就需要配置更高折射率和更小q值.视场完整性的边界条件表明,减小长波的最大衍射角和减薄波导厚度就能解决视场缺失的问题,实用最大衍射角一般不超过75°,波导层厚度根据FOV大小一般在0.5—1.0 mm之间.最后提出将各全内反射视场展开为光线追迹图的方法和瞳孔均摊接收各角度光能的分布函数,就此可求解光栅耦出区的最佳位置,并利用分布函数的倒数来约束投射光的角分布或者光栅效率的角分布,以在任意位置都能接收均匀出射视场:单色波导的均匀性从0.27提高到0.15,单光栅复色波导中长波均匀性从0.40提高到0.2...     

弱导多层平面光波导辐射模的自由空间模近似

本文用自由空间模简化及近似表示弱导多层介质光波导的辐射模.只要辐射方向与介质界面的角度不是很小,近似程度很好.将其应用于求解光栅耦合器的辐射损耗问题,使计算公式简化,用自由空间模计算的结果与用辐射模计算的结果比较接近,也与其它近似方法进行了比较.     

弱导多层平面光波导辐射模的自由空间模近似

本文用自由空间模简化及近似表示弱导多层介质光波导的辐射模.只要辐射方向与介质界面的角度不是很小,近似程度很好.将其应用于求解光栅耦合器的辐射损耗问题,使计算公式简化,用自由空间模计算的结果与用辐射模计算的结果比较接近,也与其它近似方法进行了比较.     

高重复频率相干衍射辐射超宽谱太赫兹源

研究了一种新型相干衍射辐射（CDR）太赫兹源,该太赫兹源基于中国工程物理研究院自由电子激光相干强太赫兹源（FEL-THz）的加速器电子束束流,具有MHz量级重复频率。理论分析、数值计算和PIC模拟证明了此太赫兹源时间长度可达到ps量级,中心频率在100~400 GHz可调,截止频率位于1~2 THz,脉冲峰值功率可达10 kW量级,平均功率可达到W量级,并且功率随束流流强成平方正比关系。     

高重复频率相干衍射辐射超宽谱太赫兹源

研究了一种新型相干衍射辐射（CDR）太赫兹源,该太赫兹源基于中国工程物理研究院自由电子激光相干强太赫兹源（FEL-THz）的加速器电子束束流,具有MHz量级重复频率。理论分析、数值计算和PIC模拟证明了此太赫兹源时间长度可达到ps量级,中心频率在100~400 GHz可调,截止频率位于1~2 THz,脉冲峰值功率可达10 kW量级,平均功率可达到W量级,并且功率随束流流强成平方正比关系。     

异向介质填充非辐射介质波导和H波导中的高次模及漏波抑制

通过对加载异向非辐射介质波导(NRD)和H波导的全波分析,研究了此新型导波结构的传输特性。由于开口谐振环所引起的双各向异性效应,在双负参数条件下,纵剖面磁(LSM)波型和纵剖面电(LSE)波型将可能出现传播常数随频率增高而减小的异常高次模式,从而引起漏波。而在其它情况下,利用双各向异性效应却可以有效减少LSM和LSE波型的高次模漏波现象。尤其当异向介质取得单负参数时,此新型导波结构将能够完全抑制高次模漏波的出现。     

(Al)GaAs/AlGaAs周期光波导中的等幅基模

本文应用周期介质光波导的模场分布函数和特征方程分析了(Al)GaAs/AlGaAs周期光波导中结构参量及介质折射率对模场分布形状的影响,研究了波导中形成等幅基模的条件,讨论了相应参量的优化选择。     

S波段束流相位探测腔与偏心式波导耦合预聚束器的设计

设计了工作于S波段的波导耦合型预聚束器和束流相位探测腔。为了增加功率容量,预聚束器采用波导耦合机制代替了传统的同轴耦合环耦合,而偏心圆结构的设计能够补偿因耦合窗口的引入导致的径向电场不对称,进一步改善了强流束流品质。预聚束器设计指标与测试结果：耦合系数1.73,空载品质因数2195,腔体谐振频率的可调范围为2 854.55~2 856.9 MHz。为实现测量束流相对射频脉冲的时间,进行强流输入功率补偿,选择了能够在线进行束流相位实时测量的束流相位探测腔,采用旋转对称结构,并通过两个同轴耦合环提取束流通过时激发的感应信号,作为直线相控系统的参考信号。束流相位探测腔设计与测试结果：空载品质因数2392,3 dB带宽为2.05 MHz,腔体谐振频率的可调范围为2 805.45~2 809.45 MHz。所有器件的仿真设计与测试结果基本一致。     

Radiation modes of a five-layer symmetric slab waveguide

The radiation modes of a five-layered symmetric slab waveguide are treated in detail. Since the slab is assumed to be infinitely extended in the yz plane, all field quantities are considered to be independent of y. The analysis is based on modal expansion formulation and the modes can be classified as TE and TM as well as even and odd ones. Applying the boundary conditions at interfaces, the expansion coefficients of the field components are easily calculated. In addition, the normalization factors and the orthogonality properties are determined by deriving appropriate integrals over the cross section of the waveguide. Finally, the validity of the orthogonality relations between the radiation modes and the guided ones, which propagate in such a waveguide, is proved explicitly.     

Cherenkov terahertz radiation from Dirac semimetals surface plasmon polaritons excited by an electron beam

We demonstrate a physical mechanism for terahertz(THz) generation from surface plasmon polaritons(SPPs). In a structure with a bulk Dirac semimetals(BDSs) film deposited on a dielectric substrate, the energy of the asymmetric SPP mode can be significantly enhanced to cross the light line of the substrate due to the SPP-coupling between the interfaces of the film. Therefore, the SPPs can be immediately transformed into Cherenkov radiation without removing the wavevector mismatch. Additionally, the symmetric SPP mode can also be dramatically lifted to cross the substrate light line when a buffer layer with low permittivity relative to the substrate is introduced. In this case, dual-frequency THz radiation from the two SPP modes can be generated simultaneously. The radiation intensity is significantly enhanced by over two orders due to the field enhancement of the SPPs. The radiation frequency can be tuned in the THz frequency regime by adjusting the beam energy and the chemical potential of the BDSs. Our results could find potential applications in developing room temperature, tunable, coherent, and intense THz radiation sources to cover the entire THz band.     

等腰直角三角形波导中的TM波

由波动方程和ＴＭ波边界条件出发,推导出等腰直角三角形波导中的ＴＭ波本征函数解,纠正有关文献中“在三角形波导中不存在ＴＭ波”的错误结论。     

两注THz折叠波导行波结构的增益与传输特性

为了提高太赫兹行波管的输出功率,提出了多个传输信号进行功率合成的方法。首先,对D波段多注慢波结构进行设计及功分器的优化;然后,通过微铣削工艺完成了两注THz折叠波导结构的加工,加工精度满足实际设计要求;最后,利用CST软件对该结构的冷测与互作用特性进行了分析。仿真结果表明：该结构的S11值小于-20 dB,实际测试值在-20 dB左右,两者较吻合。冷测分析表明该结构具有22 GHz（16%）的冷带宽,3 dB增益带宽为12.5 GHz。在各电子注的电压、电流、峰值输入功率大小分别为15.79 kV, 12 mA, 10 mW时,单注结构获得了1.58 W的输出功率及22 dB的增益;而两路信号在互作用完成后,获得了2.91 W的合成功率输出,合成效率不低于90%。通过合成的方法可以有效提高THz行波管的输出功率。.     

含间隔层的增益导引-折射率反导引平面波导激光器中高阶模式抑制研究

为了抑制高功率波导激光器中的高阶模式,改善其光束质量,基于增益导引-折射率反导引理论,在对称分层波导结构中添加了一层间隔层,进一步加大了高阶模式与基模之间阈值增益系数的差异,利用这种模式竞争抑制高阶模式.同时从波动方程出发,推导出各模式的本征方程,并给出了基模和高阶模的场分布.引入间隔层之后的高低阶模式损耗计算结果表明,通过合理地选择间隔层参数,可以有效地抑制高阶模式.     

Cherenkov radiation with arbitrary azimuthal mode number excited in a plasma-filled slow-wave waveguide

On the basis of the reference [1], excitation of Cherenkov radiation with arbitrary azimuthal mode number by a thin annular relativistic electron beam in a plasma-filled dielectric-lined slow-wave waveguide is studied in this paper. A determinantal dispersion equation is obtained. This general dispersion equation is valid for arbitrary azimuthal mode number, and the growth rate of the wave is derived from it. Finally, the effects of the background plasma density on the dispersion relation, the background plasma density and the electron beam radius on the growth rate of the wave are presented. Formulas and results offerd in this paper are general, and are of particular value of reference to the beam-wave interaction in azimuthally unsymmetrical slow-wave waveguide.This work is supported by National Natural Science Foundation of China and 863 Project.     

求解波束波导中激励-传输-辐射问题的积分方程方法

针对波束波导系统结构和馈电特性,应用体面积分方程建立了任意结构波束波导中电磁波的激励、传输和辐射问题所对应的物理模型.在激励端,采用模式展开方法描述输入口面场分布,并利用模式匹配方法精确模拟波束波导馈电端的匹配状况.通过对波束波导内部的实际结构的精确拟合,基于积分方程建立了激励-传输-辐射的电磁模型,并以高效数值解法给...     

0.14THz基模多注折叠波导行波管的理论与模拟研究

为解决THz行波管工作电流过小、输出功率低等问题,提出了基模多注工作模式的折叠波导行波管.首先,获得了基模多注折叠波导色散特性的等效传输线计算模型,并与数值模拟结果进行了比较;然后,对基模多注折叠波导的传输特性进行了模拟计算;最后,通过模拟和理论计算完成了0.14 THz基模多注折叠波导行波管的注波互作用特性分析.电子注参数为12 m A,15.75 k V时,获得的3 d B带宽为25 GHz(128—153 GHz),最大增益为33.61 d B,最大峰值功率为23 W;电子注参数为30 m A,15.75 k V时,在0.14 THz处获得了38 d B增益,最大脉冲输出功率为63.1 W.对比同条件下基模单注折叠波导行波管,3 d B带宽提升了1倍,0.14 THz处输出功率增大了9.66倍,互作用效率增大了3.22倍;当增益相同时,多注方式的互作用长度较单注缩短了33%.该方法能够有效增大THz行波管的工作电流,提高互作用增益及效率、3 d B带宽、输出功率;在增益相同时,基模多注行波管可以做得更短更紧凑.     

飞秒电子束装置的初步实验结果

 上海应用物理研究所建造并调试了一台飞秒电子束装置。这台装置主要由一把S波段热阴极微波电子枪、一台alpha磁铁和一根SLAC型加速管组成。这台装置可以产生能量为 20~30 MeV,峰值电流为100 A,微束团长度为250 fs的电子束。这篇文章报道了这台装置的调试和电子束团参数的测量。