專利名稱：一種分布作用太赫茲振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲(THz)電磁波源技術(shù)領(lǐng)域，是一種返波分布作用太赫茲振蕩器
ο
背景技術(shù)：
近年來(lái)，人們對(duì)THz領(lǐng)域的研究在國(guó)內(nèi)外都引起了極高的熱情。原因之一是許多遙遠(yuǎn)的星體都輻射THz頻段的電磁波，以被動(dòng)方式觀察星體輻射的射電天文望遠(yuǎn)鏡需要 THz電磁波源作為本振源。原因之二是許多物質(zhì)的吸收峰在THz頻段，因此THz電磁波在物質(zhì)特性、化學(xué)動(dòng)力學(xué)及原子或分子內(nèi)能量劃分與能量流動(dòng)問(wèn)題的研究方面存在大量機(jī)會(huì)。 例如利用THz傳輸和遠(yuǎn)紅外頻譜儀可以研究溶解的HCI的旋轉(zhuǎn)吸收譜。最后一個(gè)原因是軍事和氣象觀測(cè)應(yīng)用，有文獻(xiàn)報(bào)道了一種工作于W波段的星載成像雷達(dá)。無(wú)論要把太赫茲(THz)電磁波應(yīng)用于何種用途，緊湊高效的THz電磁波源是根本。 目前正在研究中的THz輻射源有固態(tài)振蕩器、量子級(jí)聯(lián)激光(QCL)、遠(yuǎn)紅外氣體激光、激光驅(qū)動(dòng)THz輻射器、各類自由電子激光(FEL)、微制造技術(shù)THz輻射器及返波管等傳統(tǒng)電真空器件。這些電磁波源從工作原理上可以分為如下幾類(1)半導(dǎo)體THz源(包括THz量子級(jí)聯(lián)激光器等)；⑵基于光子學(xué)的THz發(fā)生器；(3)基于高能加速器的THz輻射源；(4)利用自由電子的THz輻射源(包括THz真空器件，電子回旋脈塞和自由電子激光)。不同的用途對(duì)THz源可能提出不同的要求。有的要求輸出功率較大，有的要求有較合適的頻率。分如下幾個(gè)方面介紹一下THz電磁波源的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀1、半導(dǎo)體太赫茲源固態(tài)THz源具有小巧、價(jià)格低廉和頻率可調(diào)的特點(diǎn)，是人們希望的一種THz源。但半導(dǎo)體器件的工作頻率難于達(dá)到ITHz以上，而半導(dǎo)體THz激光器，特別是THz量子級(jí)聯(lián)激光器是目前的發(fā)展重點(diǎn)之一。第一篇關(guān)于量子級(jí)聯(lián)激光的文章由Melvin Lax等發(fā)表于 1960年，其后于1994年起，Bell實(shí)驗(yàn)室的J. Faist做了很多有益的工作(Science, 264, 22, 1994)。在俄國(guó)這方面的工作也做了不少(Kazarinov, Sov. Phys. kmi. 5，207，1971)，但實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期沒(méi)有突破。朗訊曾把QCL作為一個(gè)研發(fā)重點(diǎn)，但沒(méi)有結(jié)果。直至2002年由英國(guó)和意大利科學(xué)家獲得突破(Nature 417，156-159，2002)。量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是以異結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體(GaAs/AIGaAs)的導(dǎo)帶中的次能級(jí)間的躍遷為基礎(chǔ)的一種激光器。利用縱向光學(xué)聲子的諧振產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2002年的結(jié)果是頻率4. 4THz，溫度50K，脈沖功率20mW。此后，很多國(guó)家都積極開(kāi)展QCL的研究工作，采用了不同的材料。到2004年，美國(guó)MIT最新的結(jié)果是2. ITHz，連續(xù)波功率ImW(溫度93K)，脈沖功率為20mW (溫度137K)。到2005年，MIT QCL已經(jīng)用于THz成像，可見(jiàn)THz技術(shù)發(fā)展的速度比我們想象的
要快得多。
3
在我國(guó)，中國(guó)電子集團(tuán)南京55所，渡越雪崩二極管可以做到0. ITHz。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，已開(kāi)展QCL的研究工作并已作出一定的成^ ο半導(dǎo)體THz輻射源已安排了一個(gè)專題報(bào)告進(jìn)行詳細(xì)論述。2、基于光子學(xué)的太赫茲輻射源飛秒激光脈沖的發(fā)展給THz源帶來(lái)了很大的機(jī)遇。已經(jīng)發(fā)展了很多基于飛秒激光脈沖和非線性光學(xué)晶體的THz激光源。如THz光導(dǎo)天線、光整流、非線性差頻、THz參量振蕩器和放大器(TPG，TPO, TPA) 和光學(xué)Cherenkov輻射等等。這種方法產(chǎn)生的THz輻射，可以是脈沖的，也可以是連續(xù)波的。這方面的研究工作，我國(guó)天津大學(xué)等單位，也已開(kāi)展了研究工作，并作出了一定的成果。3、基于高能加速器的太赫茲源近幾年來(lái)，隨著THz科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)利用各類電子加速器可以產(chǎn)生THz輻射。自由電子激光(FEL)可工作于THz。2010年1月13 — 14日，在美國(guó)Honolulu召開(kāi)的THz輻射源研討會(huì)上，報(bào)告了一篇用IMeV靜電加速器的FEL，可以在2mm到500微米， (0. 15-6)THz，產(chǎn)生IkW的準(zhǔn)連續(xù)波輸出，這一結(jié)果被認(rèn)為是迄今為止最重要的成果之一。2002年，在Nature上發(fā)表的另一篇論文體現(xiàn)了電子學(xué)和光子學(xué)相結(jié)合的方法。利用飛秒激光照射GaAs光學(xué)晶體，發(fā)射出電子束，再用加速器將電子束加速到40MeV。電子在磁場(chǎng)作用下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而發(fā)射出THz輻射，由于電子束的尺度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，所以輻射是相干的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到20w連續(xù)波的THz輻射。所以，如前所述，Nature編輯部將這篇文章定為研究亮點(diǎn)。以上這些基于高能加速器的THz源可以提供較大的功率，但體積較為龐大，耗能也較高，在一些應(yīng)用中顯得過(guò)于昂貴。
4、傳統(tǒng)與新型THz真空電子器件近兒年來(lái)，隨著THz科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用真空電子學(xué)產(chǎn)生THz輻射的研究工作取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了 “納米速調(diào)管”等新型THz真空電子器件。另一方面，由于技術(shù)進(jìn)步，某些傳統(tǒng)真空電子器件如返波管(BWO)、擴(kuò)展互作用振蕩器(ΕΙ0或EIK)、繞射輻射器件(Orotron)等的工作頻率已接近或達(dá)到ITHz?；匦芸赏贗THz產(chǎn)生千瓦級(jí)的脈沖輸出，平均功率可達(dá)幾十瓦以上。特別是由CIT的JPL實(shí)驗(yàn)室等研究的“納米速調(diào)管”可望在1-3THZ頻率上工作。 納米速調(diào)管結(jié)合了電子學(xué)、光子學(xué)和微加工技術(shù)，是很有創(chuàng)新意義的一種新器件。納米速調(diào)管由于使用微加工技術(shù)，所以保證每個(gè)納米速調(diào)管頻率和相位的一致性，因此可以組成納米速調(diào)管陣列，以大大提高輸出功率。利用THz陣列輻射源構(gòu)成陣列是提高THz輻射功率的一個(gè)重要途徑。事實(shí)上，還有一種電真空器件已經(jīng)在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)能夠工作在THz頻段，而且體積較小，那就是返波管。其實(shí)，早在世紀(jì)之交以前，世界各國(guó)就研制出了工作頻率直到 ITHz的返波管，其中大部分都產(chǎn)生于前蘇聯(lián)或俄羅斯。但當(dāng)是THz源的應(yīng)用前景尚未彰顯， 因此沒(méi)有得到應(yīng)有的重視?，F(xiàn)在，通過(guò)比較，人們發(fā)現(xiàn)返波管的功率重量比或功率體積比是最高的THz源之一。也就是說(shuō)，返波管是最有潛力實(shí)現(xiàn)小型化的THz源之一。因此引起了世界領(lǐng)域的研究興趣。美國(guó)的CCR(Calabazas Creek Research, he)、Utah大學(xué)、NASA的 Lewis Research Center及法國(guó)Thomson CSF DET等研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了 THz返波管的研究。 其中，只有法國(guó)Thomson CSF DET做出過(guò)成功的樣管，其他研究機(jī)構(gòu)均尚未成功。我們中國(guó)學(xué)界對(duì)THz返波管也具有濃厚興趣，中科院電子所開(kāi)展了一些計(jì)算機(jī)模擬研究，發(fā)表或正在發(fā)表一些階段研究成果。另外，863計(jì)劃也安排了少許相關(guān)項(xiàng)目，但尚未見(jiàn)到最新進(jìn)展報(bào)道。EIK也是傳統(tǒng)的電真空器件。在Ka波段，世界各國(guó)早就有一些產(chǎn)品問(wèn)世。比如 CPI加拿大公司在2006年報(bào)道的Ka波段的EIK系列產(chǎn)品功率可以達(dá)到1000W。韓國(guó)2003 年報(bào)道正在研制一種Ka波段750W的EIK，當(dāng)時(shí)研制還處于理論設(shè)計(jì)階段。中科院電子所曾經(jīng)在上世紀(jì)20年代成功研制出Ka波段100W的脈沖型EIK樣管，并提供給某測(cè)距雷達(dá)使用。近幾年來(lái)，以CPI加拿大公司的EIK產(chǎn)品獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，中心工作頻率迅速擴(kuò)展到 250GHz，顯示出這種管型向更高頻率發(fā)展的巨大潛力。其Ka波段EIKVZA6903E的工作頻帶在27-3IGHz范圍，IdB帶寬為300MHz，飽和增益為75dB，飽和功率750W。其220GHz的EIK 的功率也能達(dá)到100W以上。除此之外，美國(guó)的NASA Glenn Research Center等單位開(kāi)展了采用折疊波導(dǎo)的 THz行波管震蕩器的研究。其理論分析表明能夠在560GHz獲得56mW的行波管震蕩器。應(yīng)該指出，THz領(lǐng)域是電真空器件可以大有作為的領(lǐng)域。從工作原理來(lái)分析，行波管放大器具有很寬的工作頻帶。但作為振蕩器，需要從內(nèi)部或外部引入反饋，其寬帶特性已經(jīng)完全被淹沒(méi)。EIK比行波管和返波管更有利于獲得大功率，但其工作頻帶較窄。CPI加拿大公司為EIK增加了機(jī)械調(diào)諧措施，機(jī)械調(diào)諧的范圍在Ka波段可以達(dá)到1GHz。返波管是點(diǎn)頻振蕩器，但其振蕩頻率可以在較寬頻帶內(nèi)進(jìn)行電調(diào)諧，因而更適宜于設(shè)備與儀器使用。我國(guó)真空電子器件已有相當(dāng)好的基礎(chǔ)，回旋管的研究工作已在電子科技大學(xué)和中科院電子所進(jìn)行，在0. ITHz已作出近100KW脈沖輸出的回旋管。FEL已在中科院高能物理所、中國(guó)工程物理研究院、北京大學(xué)和電子科技大學(xué)進(jìn)行，并取得一定的成果。中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所具有50多年從事電真空器件研究的歷史，曾經(jīng)研制成功微波波段的多種管型的行波管。目前開(kāi)始了對(duì)THz返波管的研究。我們認(rèn)為，目前實(shí)現(xiàn) THz返波管的主要難點(diǎn)在于制造工藝。但是，如果沒(méi)有對(duì)THz返波管進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬，那么也沒(méi)有進(jìn)一步開(kāi)展工藝研究的基礎(chǔ)。因此，我們已經(jīng)開(kāi)展了一些THz返波管模擬計(jì)算研究，獲得了一些階段性研究成果。本發(fā)明就是在我們現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上獲得的最新成果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種分布作用太赫茲振蕩器，采用周期慢波結(jié)構(gòu)構(gòu)成調(diào)制諧振腔。作為調(diào)制諧振腔的周期慢波結(jié)構(gòu)可以工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式與電子注發(fā)生相互作用，使電子注受到速度和密度調(diào)制。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種分布作用太赫茲振蕩器，包括電子槍、互作用區(qū)和收集極；其所述互作用區(qū)， 包括周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔、能量提取腔，其中，周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔為工作在THz頻段的周期慢波結(jié)構(gòu)。所述的分布作用太赫茲振蕩器，其所述作為調(diào)制諧振腔的周期慢波結(jié)構(gòu)，為螺旋線、反繞螺旋螺旋線、各類耦合腔、交叉指慢波結(jié)構(gòu)、梳形慢波結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)或光子晶體慢波結(jié)構(gòu)其中之一的慢波結(jié)構(gòu)。所述的分布作用太赫茲振蕩器，其所述互作用區(qū)，還包括漂移段，漂移段位于周期慢波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔和能量提取腔之間。所述的分布作用太赫茲振蕩器，其所述互作用區(qū)，還包括中間腔或中間周期慢波結(jié)構(gòu)振蕩器，中間腔或中間周期慢波結(jié)構(gòu)振蕩器位于周期慢波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔和能量提取腔之間。所述的分布作用太赫茲振蕩器，其在中間腔或中間周期慢波結(jié)構(gòu)振蕩器與能量提取腔之間，設(shè)置漂移段。所述的分布作用太赫茲振蕩器，其所述周期慢波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔，工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式與電子注發(fā)生相互作用，使電子注受到速度和密度調(diào)制。本發(fā)明的一種分布作用太赫茲振蕩器，結(jié)合了返波管和分布作用速調(diào)管的優(yōu)點(diǎn)， 具有適宜于產(chǎn)生THz電磁波的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的一種返波分布作用太赫茲振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-電子槍2-周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔3-漂移段4-能量提取腔5-能量輸出結(jié)構(gòu)6-收集極7-電子束聚焦系統(tǒng)
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種分布作用太赫茲振蕩器，是一種分布作用振蕩器 (Extended-Interaction Oscillator，ΕΙ0)，其采用周期慢波結(jié)構(gòu)構(gòu)成調(diào)制諧振腔。作為調(diào)制諧振腔的周期慢波結(jié)構(gòu)可以工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式與電子注發(fā)生相互作用，使電子注受到速度和密度調(diào)制。如圖1所示，該器件由電子槍1、互作用區(qū)和收集極組成，其中的互作用區(qū)主要由周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔2、漂移段3和能量提取腔 4組成。周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔2的功能是對(duì)電子注進(jìn)行調(diào)制，漂移段3的作用是為電子注提供群聚空間，能量提取腔4的作用是從電子注提取電磁波能量。能量提取腔4與能量輸出結(jié)構(gòu)5相連，并通過(guò)后者向外輸出電磁波能量。電子槍1的作用是提供電子注，所提供的電子注沿著圖1所示結(jié)構(gòu)的軸線向收集極6方向運(yùn)動(dòng)，最終被收集極6所收集。在這過(guò)程中，電子注穿過(guò)由周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔2、漂移段3和能量提取腔4組成的互作用區(qū)，并與互作用區(qū)發(fā)生上面所述的注-波相互作用。另外，圖1中的電子束聚焦系統(tǒng)7的作用是把電子注限制在軸線周圍的有限區(qū)域內(nèi)。根據(jù)需要，在本發(fā)明的周期慢波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔2和能量提取腔4之間，也可以不設(shè)置漂移段3，而設(shè)置中間腔或中間周期慢波結(jié)構(gòu)振蕩器(圖中沒(méi)示出)?；蛟谥芷诼ńY(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔2和能量提取腔4之間，順序設(shè)置中間腔或中間周期慢波結(jié)構(gòu)振蕩器、漂移段 3。本發(fā)明的一種分布作用太赫茲振蕩器，在實(shí)施時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)(1)根據(jù)工作頻段和工藝制造水平選取作為周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔的周期慢波結(jié)構(gòu)。從理論上講，任何一種已知的或?qū)?lái)新發(fā)明的慢波結(jié)構(gòu)都可以用來(lái)構(gòu)成本發(fā)明所需的周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔。不過(guò)，在具體實(shí)施時(shí)，仍然要根據(jù)工作頻段和工藝制造水平對(duì)周期慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。從現(xiàn)有的周期慢波結(jié)構(gòu)看，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)在Ka波段以下獲得了最為廣泛的應(yīng)用。但是，隨著結(jié)構(gòu)尺寸隨頻率的減小，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的制造難度隨著頻率升高而逐漸增大，在W波段以上時(shí)，已經(jīng)不可能制造。因此，在W波段以上，梯形慢波結(jié)構(gòu)、 梳狀慢波結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)等周期慢波結(jié)構(gòu)顯示出更大的優(yōu)勢(shì)。尤其是這些慢波結(jié)構(gòu)可以用平面微制造工藝進(jìn)行制造，從而可以制造出適宜于工作在THz頻段的微細(xì)周期慢波結(jié)構(gòu)。原則上可以使用任何一種慢波結(jié)構(gòu)或?qū)?lái)新發(fā)明的新型慢波結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)以下步驟開(kāi)展設(shè)計(jì)與制造。(2)用線切割等傳統(tǒng)工藝、平面微制造工藝及其它任何公知技術(shù)制造上述的梯形慢波結(jié)構(gòu)、梳狀慢波結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)等周期慢波結(jié)構(gòu)。(3)利用專用或通用電磁計(jì)算軟件計(jì)算所選定的慢波結(jié)構(gòu)的慢波特性，根據(jù)工作頻段選定慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，使在工作頻段內(nèi)的耦合阻抗盡可能高。(4)根據(jù)上述第3步的計(jì)算結(jié)果，選定同步電壓，并以此為根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)電子槍、 收集極和電子注聚焦系統(tǒng)。用與現(xiàn)有速調(diào)管和行波管相同或改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)漂移段、 能量提取腔及輸能結(jié)構(gòu)。用與現(xiàn)有速調(diào)管和行波管相同的制造方法制造這些部件。(5)用與現(xiàn)有速調(diào)管和行波管相同的整管制造方法制造整管。(6)用與現(xiàn)有速調(diào)管和行波管相同的測(cè)試方法測(cè)試整管。
權(quán)利要求
1.一種分布作用太赫茲振蕩器，包括電子槍、互作用區(qū)和收集極；其特征在于，所述互作用區(qū)，包括周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔、能量提取腔，其中，周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔為工作在THz頻段的周期慢波結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的分布作用太赫茲振蕩器，其特征在于，所述周期慢波結(jié)構(gòu)，為螺旋線、反繞螺旋螺旋線、各類耦合腔、交叉指慢波結(jié)構(gòu)、梳形慢波結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)或光子晶體慢波結(jié)構(gòu)其中之一的慢波結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的分布作用太赫茲振蕩器，其特征在于，所述互作用區(qū)，還包括漂移段，漂移段位于周期慢波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔和能量提取腔之間。
4.如權(quán)利要求1所述的分布作用太赫茲振蕩器，其特征在于，所述互作用區(qū)，還包括中間腔或中間周期慢波結(jié)構(gòu)振蕩器，中間腔或中間周期慢波結(jié)構(gòu)振蕩器位于周期慢波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔和能量提取腔之間。
5.如權(quán)利要求3或4所述的分布作用太赫茲振蕩器，其特征在于，在中間腔或中間周期慢波結(jié)構(gòu)振蕩器與能量提取腔之間，設(shè)置漂移段。
6.如權(quán)利要求1或2所述的分布作用太赫茲振蕩器，其特征在于，所述周期慢波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔，工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式與電子注發(fā)生相互作用，使電子注受到速度和密度調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種分布作用太赫茲振蕩器，涉及太赫茲(THz)電磁波源技術(shù)，包括電子槍、互作用區(qū)和收集極，其互作用區(qū)由周期滿波結(jié)構(gòu)調(diào)制諧振腔、能量提取腔組成。其調(diào)制諧振腔采用周期慢波結(jié)構(gòu)構(gòu)成，周期慢波結(jié)構(gòu)可以工作在返波模式或正向波模式，以分布作用的形式與電子注發(fā)生相互作用，使電子注受到速度和密度調(diào)制。本發(fā)明的一種分布作用太赫茲振蕩器，結(jié)合了泛波管和分布作用速調(diào)管的優(yōu)點(diǎn)，具有適宜于產(chǎn)生THz電磁波的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01J25/02GK102403180SQ20101027776
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者劉濮鯤, 劉青倫, 徐安玉, 李海強(qiáng), 王自成, 董芳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所