一種表面等離子體波切倫科夫輻射源的製作方法

2023-05-20 18:00:46

專利名稱：一種表面等離子體波切倫科夫輻射源的製作方法
技術領域：
本發明屬於電磁波福射源技術領域，涉及一種電子學和光子學相結合的、將表面等離子體波轉化為切倫科夫輻射，工作在可見光到紫外的可調諧的新型電磁波輻射源。
背景技術：
理論與實驗研究表明運動電子能在金屬表面激勵起表面等離子體波，特別當金屬厚度比較薄時(小於金屬中的趨膚深度八)，金屬薄層的兩側都有表面等離子體波的存在。 由於表面等離子體波是一種表面波，其場沿垂直於金屬表面的方向呈指數衰減。要利用表面等離子體波作為輻射源，需要解決的關鍵問題是如何將表面等離子體波轉化為輻射場。由於被運動電子激勵的表面等離子體具有較高頻率(從可見光到紫外)。同樣能量的運動電子在不同金屬表面可以激勵起不同頻率的表面等離子體波；在同一金屬表面， 不同能量的運動電子也將激勵起不同頻率的表面等離子體。如果能將表面等離子體波轉化為輻射場，我們將可以通過改變電子的能量或改變金屬的材料來得到不同頻率的電磁輻射源。切倫科夫輻射是指當電子的運動速度超過介質中光速時，在介質中產生的輻射。 如果介質的折射率為n，而運動電子在介質中的運動速度與真空中光速比是β，則需要滿足ηβ >1。這種情況的切倫科夫輻射具有以下性質場主要集中在θ = Θ。的錐體內， 整個波以此錐面為邊界形成一個衝擊波；在一般情況下，介電常數(或折射率)隨著頻率的增大而減小，在一定頻率下達到η(ωπ) β = 1，即達到臨界值，此後切倫科夫輻射不再可以產生，所以ωπ可以稱為最大頻率。電子的運動速度和介質的特性決定了輻射的頻率範圍。 因此傳統切倫科夫輻射是寬頻的輻射，不能進行頻率的調諧。自由電子雷射是利用高速電子束通過周期性擺動磁場產生光輻射。雖然自由電子雷射具有可調諧、高效率，大功率等優點，但同時存在體積大、結構複雜、工作電壓高，需要周期性擺動磁場等缺點。

發明內容
本發明提供一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，該輻射源採用掠過金屬層表的運動電子在金屬層表面激勵起表面等離子體波，然後將金屬層表面激勵起的表面等離子體波轉化成切倫科夫輻射，從而產生從可見光到紫外的可調諧電磁輻射。本發明能夠克服自由電子雷射的電壓高和體積大的缺點，同時克服了傳統切倫科夫輻射輻射頻譜寬、不可調諧的缺點，具有小型化、帶寬窄、可調諧和低電壓的特點。本發明技術方案如下一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，如圖I、2所示，包括電子槍2、介質材料層4 和沉積於介質材料層4表面的金屬薄膜層3。所述電子槍2發射的電子束從金屬薄膜層3 表面上方掠過從而在金屬薄膜層3表面激發表面等離子體波；所述金屬薄膜層3的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層3所用金屬材料中的趨膚深度δ m，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層3到達介質材料層4中；電子槍2所發射電子束的運動速度與真空中光速的比值β和介質材料層4的折射率η滿足切倫科夫輻射條件ηβ > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層3到達介質材料層4中並轉化為切倫科夫輻射。本發明通過在金屬薄膜層下方加載介質，當電子在金屬薄層表面上方運動，且電子的運動速度與真空中光速的比值β和介質材料層4的折射率η滿足切倫科夫輻射條件(ηβ > I)，在金屬/介質交界面的表面等離子體波(Surface Plasmon Wave/Surface Polariton)將轉化為切倫科夫輻射(如圖3所示)，從而獲得表面等離子體波切倫科夫輻射源。現有的切倫科夫輻射為電子直接在介質中激勵起的輻射，是一種寬頻的輻射，不能進行頻率的調諧。與現有的切倫科夫輻射相比，本發明提供的表面等離子體波切倫科夫輻射源的輻射頻率由電子束與表面等離子體波的色散曲線的交點，即激勵起的表面等離子體波的頻率決定。通過改變運動電子的能量,可以改變激勵起的表面等離子體波的頻率,從而調諧電磁輻射源的頻率。因此，本發明提供的電磁輻射源具有窄帶寬(近似於點頻信號)、可調諧的特點。本發明提供的電磁輻射源可稱為「表面等離子體波切倫科夫輻射源」(Surface Polaritons Cherenkov Radiation Source,簡稱 SPCRS)。上述表面等離子體波切倫科夫輻射源中1)電子槍2可採用普通電子槍、電子掃描顯微鏡的電子槍或帶電子加速器的電子槍。2)金屬薄膜層3材料可以選擇貴金屬(金、 銀等)和鹼金屬(鋁等)。3)介質材料層4材料可選擇玻璃、矽、透明陶瓷、藍寶石或二氧化鈦等；為了到達較大的輻射功率，可選擇在工作頻率下損耗小的介質，而介電常數大的介質將能使該輻射源工作在更低的電壓。為了方便切倫科夫輻射能量的輸出，可將介質材料層4的形狀設計為三角劈形， 其三角形截面平行於電子運動方向，其矩形側面垂直於切倫科夫輻射方向，此時所輸出的切倫科夫輻射能量最大。本發明提供的表面等離子體波切倫科夫輻射源中，金屬薄膜層3的厚度需要比表面等離子體在金屬中的趨膚深度\小(通常在十納米量級)，而整個輻射源的長寬尺寸 (對應於金屬薄膜層的長寬尺寸)在微米量級。整個器件可採用現有的微納加工技術加工， 具有機理新穎、結構簡單、尺寸小、易於集成的特點，也可以做成陣列，並可以通過改變入射電子的能量來調節輻射的頻率。綜上所述，本發明具有如下優點I、本發明具有電壓可調諧性，頻率隨著電壓的升高而降低，其調諧範圍由金屬的光學特性決定。與史密斯-帕塞爾輻射相比，具有更好的輻射方向性，與切倫科夫輻射相比，該結構可以工作在某一輻射頻率，且可以調諧。2、本發明與自由電子雷射比，可以工作在比較低的電壓，而且不需要周期性擺動磁場。3、本發明結構簡單，尺寸小，易於集成。4、本發明將表面等離子體波轉化為輻射場有利於表面等離子體波的研究。


圖I本發明提供的表面等離子體波切倫科夫輻射源的結構示意圖(截面示意圖)。圖中1為金屬檔板,2為電子槍,3為金屬薄膜層,4為介質材料層，同時也是輸出窗。圖2本發明提供的表面等離子體波切倫科夫輻射源的側視圖。圖3是本發明提供的表面等離子體波切倫科夫輻射源工作時，電子束掠過金屬薄膜表面上方所激勵起的表面等離子體波沿電子運動方向分量的等位圖。圖4是本發明提供的表面等離子體波切倫科夫輻射源工作時遠區觀測點的電場時域波形和頻譜。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明加以進一步說明，應指出的是，所描述的實施例僅在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。實施例I一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，如圖1、2所示，包括金屬擋板I、電子槍2、 介質材料層4和沉積於介質材料層4表面的金屬薄膜層3。所述電子槍2發射的電子束從金屬薄膜層3表面上方掠過從而在金屬薄膜層3表面激發表面等離子體波。所述金屬薄膜層3的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層3所用金屬材料中的趨膚深度δπ，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層3到達介質材料層4中。電子槍2所發射電子束的運動速度與真空中光速的比值β和介質材料層4的折射率η滿足切倫科夫輻射條件 ηβ > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層3到達介質材料層4中並轉化為切倫科夫輻射。所述金屬擋板I具有平行於金屬薄膜層3表面的縫隙，使得電子槍I發射的電子束經過金屬擋板I之後成為帶狀電子束。電子槍2可採用普通電子槍、電子掃描顯微鏡的電子槍或帶電子加速器的電子槍。2)金屬薄膜層3材料可以選擇貴金屬(金、銀等)和鹼金屬(鋁等)。3)介質材料層 4材料可選擇玻璃、矽、透明陶瓷、藍寶石或二氧化鈦等。採用厚度為I微米且相對介電常數為9的介質材料層，在其表面沉積20nm厚的金屬銀膜，製作成上述表面等離子體波切倫科夫輻射源，並採用能量為IOOkeV的電子從距離銀膜上表面20nm的地方平行於銀膜表面方向掠過。採用粒子模擬軟體，仿真得到光源的頻率為886THZ。其電場Ez的等位圖如圖3所示。圖4是仿真得到的遠區觀測點的電場時域波形和頻譜。實施例2與實施例I相似，所不同之處為金屬薄膜層3材料採用金，介質材料層4材料採用矽，同樣採用IOOkeV的電子從距離金膜上表面20nm的地方平行於金膜方向掠過，將激勵起頻率為695THz的輻射。
權利要求
1.一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，包括電子槍(2)、介質材料層(4)和沉積於介質材料層(4)表面的金屬薄膜層(3);其特徵在於，所述電子槍(2)發射的電子束從金屬薄膜層(3)表面上方掠過從而在金屬薄膜層(3)表面激發表面等離子體波；所述金屬薄膜層(3)的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層(3)所用金屬材料中的趨膚深度δπ， 使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層(3)到達介質材料層(4)中；電子槍(2)所發射電子束的運動速度與真空中光速的比值β和介質材料層(4)的折射率η滿足切倫科夫輻射條件η β > 1，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層(3)到達介質材料層 (4)中並轉化為切倫科夫輻射。
2.根據權利要求I所述的表面等離子體波切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述電子槍 (2)為普通電子槍、電子掃描顯微鏡的電子槍或帶電子加速器的電子槍。
3.根據權利要求I所述的表面等離子體波切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述金屬薄膜層(3)材料為金、銀或鋁。
4.根據權利要求I所述的表面等離子體波切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述介質材料層(4)材料為玻璃、矽、透明陶瓷、藍寶石或二氧化鈦。
5.根據權利要求I所述的表面等離子體波切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述介質材料層(4)的形狀為三角劈形，其三角形截面平行於電子運動方向。
6.根據權利要求5所述的表面等離子體波切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述三角劈形介質材料層(4)的矩形側面垂直於切倫科夫輻射方向。
7.根據權利要求I至6中任一項所述表面等離子體波切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述表面等離子體波切倫科夫輻射源還包括一個金屬擋板(I)，所述金屬擋板(I)具有平行於金屬薄膜層(3)表面的縫隙，使得電子槍(I)發射的電子束經過金屬擋板(I)之後成為帶狀電子束。
全文摘要
一種表面等離子體波切倫科夫輻射源，屬於電磁波輻射源技術領域。包括電子槍、介質材料層和沉積於介質材料層表面的金屬薄膜層；電子槍發射的電子束從金屬薄膜層表面上方掠過從而在金屬薄膜層表面激發表面等離子體波，表面等離子體波透過金屬薄膜層到達介質材料層中；當電子槍所發射電子束的運動速度與真空中光速的比值β和介質材料層的折射率n滿足切倫科夫輻射條件nβ＞1時，表面等離子體波在介質材料層中轉化為切倫科夫輻射。輻射頻率由電子束所激發的表面等離子體波的頻率決定；通過改變運動電子的能量，可以改變激勵起的表面等離子體波的頻率，從而調諧電磁輻射源的頻率。本發明具有小型化、帶寬窄、可調諧和低電壓、易集成的特點。
文檔編號H01S1/02GK102593692SQ201110431589
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者劉盛綱, 劉維浩, 張平 申請人:電子科技大學