Modern Physics 现代物理, 2024, 10(3), 23-34
Published Online May 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/mp https://doi.org/10.12677/mp.2024.103004
Research Progress of Terahertz Radiation Source Based on Smith-Purcell Radiation
Mingjing Wu, Limei Qi, Jun Yang, Xiang Tao, Ziyu Liu
School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing
Received: Mar. 6th, 2024; accepted: Mar. 25th, 2024; published: Apr. 1st, 2024
Abstract
The terahertz radiation source based on Smith-Purcell radiation has been widely studied in the scientific field because of its advantages such as high conversion efficiency, high power, good stability, and convenient use. In this article, the research progress of one-dimensional and two-dimensional terahertz radiation source structures is given, and the development trend of Smith-Purcell radiation using metasurfaces is discussed for terahertz radiation sources.
Keywords
Smith-Purcell Radiation, Terahertz Radiation Source, Metasurface
基于Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射源 研究进展
武明静，亓丽梅，杨 君，陶 翔，刘紫玉
北京邮电大学电子工程学院，北京
收稿日期：2024年3月6日；录用日期：2024年3月25日；发布日期：2024年4月1日
摘 要
基于Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射源因具有转换效率高、功率大、稳定性好、使用方便等优点，从而在科学领域中被广泛研究。本文综述了一维和二维太赫兹辐射源结构的研究现状，并探讨了超表面结构的Smith-Purcell辐射在太赫兹辐射源方面的重要应用前景。
文章引用: 武明静, 亓丽梅, 杨君, 陶翔, 刘紫玉. 基于Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射源研究进展[J]. 现代物理, 2024, 10(3): 23-34. DOI: 10.12677/mp.2024.103004
武明静 等
关键词
Smith-Purcell辐射，太赫兹辐射，超表面
Copyright ? 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
太赫兹技术在科学领域具有广泛应用而备受瞩目，对于这些应用而言，设计制作高效且可控的太赫兹辐射源至关重要[1]。太赫兹波的产生方法一般是使用行波管、返波管、速调管、回旋管、奥罗管等真空器件。基于注波互作用原理，将互作用频率提升到太赫兹频段，从而产生太赫兹波，但由于制作工艺的限制，多数太赫兹辐射源的谱宽较窄，难以覆盖整个太赫兹波段，且单脉冲功率较低[2]-[11]。基于真空电子学的太赫兹源因其转换效率高、功率大成为科学家研究的热点，例如自由电子激光器、切伦科夫辐射器件以及Smith-Purcell 辐射器件等[12] [13] [14] [15]。
其中，基于Smith-Purcell辐射的太赫兹源装置具有转换效率高、稳定性好、功率大等优点是提供具有预期特性的太赫兹辐射的新方法[16]。通常，当运动电子通过周期金属光栅表面时，会产生Smith-Purcell辐射，这是S. J. Smith和E. M. Purcell首次发现的[17]。随着科学技术的发展，使用自由电子束团(Free Electron Beam)与超表面或亚波长孔阵列相互作用激发Smith-Purcell辐射成为产生太赫兹波的有效方法[18] [19]。选择毫米(mm)或微米(um)量级的周期结构尺寸刚好可以产生太赫兹频段的辐射。当电子束被调制时，通过改变电子束团的周期实现太赫兹辐射源的可调性，不需要外部腔体就可以在很宽的频率范围内连续调谐[20]。此类太赫兹辐射源极具吸引力的主要原因在于频率的可调性(0.1 THz至10 Hz)和高功率[21]。Smith-Purcell辐射机制不会造成束流损失，这使得太赫兹辐射源装置可以利用电子束的能量回收来提高整体效率。因此，基于Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射源研究，具有重要的理论价值和应用前景。
2. 太赫兹辐射源
2.1. 一维结构的太赫兹辐射源研究现状
基于Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射源研究最早可以追溯到1953年，当时S. J. Smith和E. M. Purcell [17]两位科学家首先发现了当运动电子通过周期金属光栅表面时，会产生“光”，如图1所示。这种“光”是一种经典的非相干自发电磁波辐射。电磁辐射波长可由惠更斯构造定律说明：=λLn(1β?cosθ)，其中，λ是电磁辐射波的波长，L是光栅的周期，n是辐射阶数，β = v/c是光束的相对论因子，θ是电子注运动方向与电磁波向外辐射方向的夹角。
1998年，美国Dartmouth大学J. Urata等[22]首次观察到了超辐射现象的产生。结构图如图2所示，实验中采用周期为173 μm的金属光栅作为互作用结构，电子注的能量为20 keV~40 keV，器件的工作频率为0.3 THz~1 THz。结构主要是利用注波互作用的原理，在光栅表面运动的电子注与表面波产生相互作用，这种互作用的结果使得原来的直流电子注群聚，从而产生周期性电子束团。当群聚好的周期电子束团经过光栅表面时就会产生一种辐射，这种辐射便是Smith-Purcell超辐射，这是一种相干辐射。产生Smith超辐射的条件是电子注的电流超过某一临界电流，称为起振电流，当电流达到这一临界电流时，注波互作用才能导致电子注群聚，从而Smith-Purcell超辐射功率才能保障。基于Smith-Purcell超辐射的电子束
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驱动装置有望发展成为可调、紧凑、功率大的太赫兹辐射源。
Figure 1. Spectrogram of the light emitted from the grating surface at θ = 20?. Central images are vertically aligned on the left. First-order spectra appear on the right
图1. 在θ = 20?处从光栅表面发出“光”的频谱图。中心图像在左侧垂直对齐。一阶光谱显示在右侧
Figure 2. Superradiation structure diagram and power output diagram of Dartmouth University 图2. Dartmouth大学的超辐射结构图以及功率输出图
2007年，S. Taga等[23]使用二维有限差分时域方法对光学范围中的Smith-Purcell辐射进行了理论研究。采用周期为200nm的介质加载金属光栅，金属的介电常数用Drude模型表示，如图3所示。在模拟过程中，当电子束通过金属光栅上方时，观察到三种类型的电磁辐射，这三种类型的电磁辐射分别是基本Smith-Purcell辐射、原始表面等离子体激元辐射和拟态表面等离子体激元辐射，都是由周期性光栅结构所引起的。
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Figure 3. (a) Geometry used for simulations; (b) Terahertz radiation spectrum 图3. (a) 用于仿真的光栅结构；(b) 太赫兹辐射光谱
2017年，P. Zhang等[24]提出在金属光栅的鳍片上钻一个方形孔作为有效的电子通道，当电子束团通过时，会激发Smith-Purcell辐射，如图4所示。通过增加移动的振荡偶极子数量来增强辐射强度，偶极子由移动电荷及其在金属光栅中的虚电荷形成。结果表明产生的辐射强度是电子束团靠近光栅表面通过的情况的10倍，极大提高了设备的辐射效率。
Figure 4. (a) The schematic of hole-grating; a hole is drilled in the fins of the grating. (b) The contour map of Ez fields. (c) The time domain of Ez field for grating and hole-grating structure. (d) The corresponding spectrums
图4. (a) 孔栅示意图，在光栅的鳍片上钻了一个孔，(b) Ez场的等高线分布图，(c) 光栅和孔栅结构的Ez场的时域信号，(d) 对应的频谱
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2014年，T. Zhan等[25]从理论上表明使用低能量电子束激励周期介质光栅上平铺单层石墨烯的结构，可以产生太赫兹辐射，如图5所示。太赫兹波是由移动电子有效激发石墨烯等离子体激元所产生的，由于石墨烯等离子体激元的低损耗和高浓度，其局部场增强，可以大大提高辐射强度。并且可以通过改变石墨烯的化学势调节等离子体激元的频率，为开发可调和微型自由电子太赫兹辐射源提供了可能。
Figure 5. (a) Three-dimensional (3D) view and side view, (b) Fre-quency at different chemical potential
图5. (a) 三维视图和侧视图，(b) 不同化学势下的频率
尽管可以在太赫兹状态下调节石墨烯结构中的表面等离子体激元共振，但尚未实现将此类表面等离子体转换为相干的太赫兹辐射。S. Liu等[26]提出强度明显增强的基于石墨烯的相干太赫兹辐射源，产生的辐射强度比使用传统电介质或半导体表面强400倍，如图6所示，并且可以与最先进的量子级联激光器产生的辐射强度相比。
Figure 6. (a) The schematic of grapheme sheet with a micrometer dielectric slits array substrate. (b) The spectrum of the radiation field (Ez) for the dielectric slits array with graphene and without graphene
图6. (a) 石墨烯电介质光栅结构示意图，(b) 电介质光栅有石墨烯和无石墨烯时的辐射Ez频谱
2024年，H. Zhang等[27]对由一系列微束产生的太赫兹相干Smith-Purcell辐射进行了理论与仿真的对比研究。如图7所示，在研究中使用CST软件中的PIC求解器，检测近场和远场区域的辐射频谱。研究得到如果Smith-Purcell辐射被单电子束激发，则辐射的高次谐波振幅呈指数衰减。最初“长”光束的微束化会导致相干Smith-Purcell辐射光谱出现峰值。辐射的最大光谱峰值与微束频率的基波重合，从而
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基于Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射源研究进展 - 图文
