一種可調諧切倫科夫輻射源的製作方法
2023-10-10 08:10:29
專利名稱：一種可調諧切倫科夫輻射源的製作方法
技術領域：
本發明屬於表面等離子體電子學，光電子學領域，涉及一種基於自由電子激勵金屬表面等離子體波並轉化為切倫科夫輻射，工作在可見光及紫外頻段的可調諧電磁波輻射源。
背景技術：
發展實用，可調諧，小型化的太赫茲、可見光以及紫外線的相干電磁輻射源對現代科技的理論創新和技術進步具有重要意義，是當代世界科學研究的熱點之一。從原理上講， 現有的太赫茲、可見光及紫外光源主要可以分為兩類基於光子學的氣體雷射器和半導體雷射器，以及基於電子學的電子迴旋脈塞和自由電子雷射器。然而，它們均存在其原理或實際應用的局限性。其中，氣體雷射器產生的輻射不具有連續可調性，半導體雷射器能夠產生連續可調的電磁輻射，但是輻射功率低，不能滿足某些特殊情況下科學研究的需求。迴旋電子脈塞脈塞能夠在毫米波，低太赫茲頻段得到千瓦級的功率輸出，但是要實現更高頻率的電磁波輸出同樣存在原理上的限制(需要遠遠超出現有水平的極強磁場)。自由電子雷射能夠產生連續可調、大功率、覆蓋從微波到χ射線頻段的電磁輻射。但是傳統的自由電子雷射器體積龐大，結構複雜，實現起來比較困難，因此未能得到廣泛使用。基於切倫科夫輻射的自由電子雷射器結構簡單，近年來得到各國科學家的廣泛重視，但是其通常工作頻率都是在太赫茲頻段以下，且需要兆伏甚至吉伏級的電子注工作電壓，難以實現器件的小型化和集成。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可調諧的電磁輻射源。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(ωω) β = 1，即達到臨界值，此後切倫科夫輻射不再可以產生，所以ωω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。
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可調諧切倫科夫輻射源，如圖1、2所示，包括電子槍1、介質圓環體3和沉積於介質圓環體3內表面的金屬薄膜層4。所述電子槍1發射的電子束從介質圓環體3的空心圓柱內掠過從而在金屬薄膜層4表面激發表面等離子體波。所述金屬薄膜層4的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層4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4到達介質圓環體3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和介質圓環體3所用材料的折射率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4到達介質圓環體3內並轉化為切倫科夫輻射。一種可調諧切倫科夫輻射源，如圖3、4所示，包括電子槍1、介質圓柱體3和沉積於介質圓柱體3外表面的金屬薄膜層4。所述電子槍1發射的電子束從金屬薄膜層4外表面掠過從而在金屬薄膜層4表面激發表面等離子體波。所述金屬薄膜層4的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層4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4到達介質圓柱體3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和介質圓柱體3所用材料的折射率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4到達介質圓柱體3內並轉化為切倫科夫輻射。本發明通過在介質材料表面加載金屬薄膜層，當運動電子掠過金屬薄層表，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 > 1，切倫科夫輻射條件也可描述為電子注運動速度與介質介電常數滿足滿足電子注速度大於介質中的光速)，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，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，簡禾爾 SPCRS)。上述切倫科夫輻射源中1)電子槍1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4材料可以選擇貴金屬(金、銀等)和鹼金屬 (鋁等)。幻介質圓環體或介質圓柱體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。
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4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1、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1本發明提供的第一種可調諧切倫科夫輻射源結構示意圖。圖2是發明提供的第一種可調諧切倫科夫輻射源中金屬擋板和介質圓環體結構示意圖。圖3是本發明提供的第二種可調諧切倫科夫輻射源結構示意圖。圖4是本發明提供的第二種可調諧切倫科夫輻射源中金屬擋板和介質圓柱體結構示意圖。圖5是本發明提供的第一種可調諧切倫科夫輻射源工作時，電子束掠過金屬薄膜表面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6是本發明提供的第一種可調諧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。圖7是本發明提供的第二種可調諧切倫科夫輻射源工作時，電子束掠過金屬薄膜表面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8是本發明提供的第二種可調諧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1一種可調諧切倫科夫輻射源，包括電子槍1、金屬擋板2、介質圓環體3和沉積於介質圓環體3內表面的金屬薄膜層4。所述電子槍1發射的電子束從介質圓環體3的空心圓柱內掠過從而在金屬薄膜層4表面激發表面等離子體波。所述金屬薄膜層4的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層4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4到達介質圓環體3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和介質圓環體3所用材料的折射率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4到達介質圓環體3內並轉化為切倫科夫輻射。所述金屬擋板2中間具有半徑小於介質圓環體3內半徑的圓形孔，使得電子槍1發射的電子束經過金屬擋板2之後成為柱狀電子束。上述可調諧切倫科夫輻射源，相關參數如下電子注通道半徑(對應於介質圓環體3內半徑)IlOnm ；金屬薄膜層厚度20nm ；介質層厚度30nm ；介質介電常數4 ；電子注電壓=IOOkV0該可調諧切倫科夫輻射源工作時，電子束掠過金屬薄膜表面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如圖5所示；其遠區觀測點的電場時域波形和頻譜如圖6所示，得到的電磁輻射頻率約460THZ，輻射功率密度約5*1014W/m2。實施例2一種可調諧切倫科夫輻射源，包括電子槍1、金屬擋板2、介質圓柱體3和沉積於介質圓柱體3外表面的金屬薄膜層4。所述電子槍1發射的電子束從金屬薄膜層4外表面掠過從而在金屬薄膜層4表面激發表面等離子體波。所述金屬薄膜層4的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層4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4到達介質圓柱體3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和介質圓柱體3所用材料的折射率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4到達介質圓柱體3內並轉化為切倫科夫輻射。所述金屬擋板2為直徑大於介質圓柱體3直徑的金屬圓片，使得電子槍1發射的電子束經過金屬擋板2之後成為環狀電子束。上述可調諧切倫科夫輻射源，相關參數如下環狀電子注半徑60nm ；金屬薄膜層厚度20nm ；介質圓柱體半徑30nm ；介質介電常數4 ；電子注電壓100kV。該可調諧切倫科夫輻射源工作時，電子束掠過金屬薄膜表面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如圖7所示；其遠區觀測點的電場時域波形和頻譜如圖8所示，得到兩個頻率的電磁輻射600THz 680THz和850THz。輻射功率密度達到8*1013W/cm2。
權利要求
1.一種可調諧切倫科夫輻射源，包括電子槍(1)、介質圓環體C3)和沉積於介質圓環體(3)內表面的金屬薄膜層；其特徵在於，所述電子槍(1)發射的電子束從介質圓環體(3)的空心圓柱內掠過從而在金屬薄膜層(4)表面激發表面等離子體波；所述金屬薄膜層(4)的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層(4)所用金屬材料中的趨膚深度δω，使得所述表面等離子體波能夠透過金屬薄膜層(4)到達介質圓環體(3)中；電子槍( 所發射電子束的運動速度與真空中光速的比值β和介質圓環體C3)所用材料的折射率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(4)到達介質圓環體(3)內並轉化為切倫科夫輻射。
2.一種可調諧切倫科夫輻射源，包括電子槍(1)、介質圓柱體C3)和沉積於介質圓柱體(3)外表面的金屬薄膜層；其特徵在於，所述電子槍(1)發射的電子束從金屬薄膜層 (4)外表面掠過從而在金屬薄膜層(4)表面激發表面等離子體波；所述金屬薄膜層的厚度小於所述表面等離子體波在金屬薄膜層(4)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(4)到達介質圓柱體(3)中；電子槍( 所發射電子束的運動速度與真空中光速的比值β和介質圓柱體C3)所用材料的折射率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(4)到達介質圓柱體(3)內並轉化為切倫科夫輻射。2、根據權利要求1或2所述的可調諧切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述電子槍(1)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1或2所述的可調諧切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述金屬薄膜層(4)材料為金、銀或鋁。
4.根據權利要求1所述的可調諧切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述介質圓環體(3)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2所述的可調諧切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述介質圓柱體(3)材料為玻璃、矽、透明陶瓷、藍寶石或二氧化鈦。
6.根據權利要求1所述的可調諧切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述可調諧切倫科夫輻射源還包括一個金屬擋板O)，所述金屬擋板( 中間具有半徑小於介質圓環體C3)內半徑的圓形孔，使得電子槍(1)發射的電子束經過金屬擋板( 之後成為柱狀電子束。
7.根據權利要求2所述的可調諧切倫科夫輻射源，其特徵在於，所述可調諧切倫科夫輻射源還包括一個金屬擋板O)，所述金屬擋板( 為直徑大於介質圓柱體C3)直徑的金屬圓片，使得電子槍(1)發射的電子束經過金屬擋板( 之後成為環狀電子束。
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、介質圓環體(或介質圓柱體)和沉積於介質圓環體內表面(或沉積於介質圓柱體外表面)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H01L37/00GK102496678SQ20111043213
公開日2012年6月13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