武明静 等
可以在不改变光栅的情况下，对高频率的辐射进行有效选择激发。结果表明通过微束间距的变化，辐射源具有潜在的广泛可调谐性，并提供了一种实现可调谐高功率太赫兹辐射源的方法。将仿真结果与理论计算进行了比较，证明了结果之间具有良好的一致性。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 7. (a) The schematic of the CST simulation. (b) Snapshot of the distribution of the magnetic field By component. (c) Comparison of the theoretical predictions and the Fourier transform. (d) Comparison of the frequency dependence of |F(ν)|2 图7. (a) CST模拟示意图，(b) 电磁辐射分量磁场等高分布图，(c) 理论预测与傅里叶变换的比较，(d) |F(ν)|2的频率依赖性比较
2.2. 二维结构的太赫兹辐射源研究现状
2017年，L. Liu等[28]研究了电子束靠近并平行于由金属C孔谐振器组成的Babinet表面运动，会在谐振频率处产生强电磁辐射，如图8所示。通过调整周期，超表面的共振频率可以在GHz至THz和红外范围内变化。并且，对于低于10 GHz的工作频率，吸收损耗与输入功率之比约为3.7%。尽管损耗率随工作频率的增加而增加，但在10 THz的工作频率下损耗仍低至11%。由于存在损耗，谐振频率与结构周期的倒数之间存在非线性关系，如图9所示。因此，Babinet超表面是制造高效、紧凑的太赫兹自由电子光源的理想选择。
2019年，P. Zhang等[29]利用二维井阵列超表面呈现出密集的垂直取向的Smith-Purcell辐射，如图10所示。移动的电子可以在井阵列超表面上激励出三个感应表面电流，它们之间会发生强耦合，改善了辐射场强度并调整了辐射角的分布。井阵列超表面上产生的Smith-Purcell辐射的场强比具有90度定向辐射的传统光栅结构中的场强大3倍。
DOI: 10.12677/mp.2020.103004
28
现代物理
武明静 等 (b) Figure 8. (a) Schematic of the Smith-Purcell emission from a Babinetmeta surface. (b) The simulated reflection (R), trans-mission (T), and absorption (A) spectra of a Babinet at normal incidence of propagating waves 图8. (a) 从Babinet超表面产生Smith-Purcell辐射的示意图，(b) 在垂直入射下，Babinet超表面的反射(R)，透射(T)和吸收(A)光谱
Figure 9. (a) The energy flux densities of Sin, Sup, Sdown, and Sab. (b) The corresponding emission effi-ciency (Sup/Sin and Sdown/Sin) and absorption efficiency (Sab/Sin)
图9. (a) Sin，Sup，Sdown和Sab的能量密度。(b) 相应的发射效率(Sup/Sin和Sdown/Sin)和吸收效率(Sab/Sin)
(a) (b)
DOI: 10.12677/mp.2020.103004
29
现代物理
武明静 等
(c) (d)
Figure 10. (a) The schematic of well-array metasurface structure. (b) Radiation spectrum of Ez for well-array metasurface and grating structure. (c) Transient Ez field distribution in the cross-section for the well-array metasurface and (d) grating structure
图10. (a) 井阵列超表面结构示意图，(b) 井阵列超表面和光栅结构的Ez辐射光谱，(c) 井阵列超表面的横截面电场分布图和(d) 光栅结构
2019年，Y. Lan等[30]设计了在介质–金属–介质基板上带有Yagi-Uda纳米天线阵列的Smith-Purcell辐射，用于产生具有远场模式的光束，如图11所示。通过分别设计光栅周期和天线结构，操纵Smith-Purcell长轴的发射和垂直于电子运动方向的发射。如图12所示，通过使用不同的基板上的纳米天线阵列的不同组，可以发射包含单个波长和多个波长且具有远场角的多光束。
Figure. 11. (a) Simulation structure for generation of SPR from a YUNA array deposited on an IMI substrate. (b) Top view. (c) Simulation structure for incident to a single feed element deposited on an IMI substrate. (d) Simulation structure for ma-nipulated SPR on an IMI substrate. (e) Simulation structure for feed element of a single YUNA on an IMI substrate. (f) Ge-nerating two beams, using two groups of YUNA arrays, and (g) For three beams, using three groups of YUNA arrays
图11. (a) 由沉积在IMI基板上的YUNA阵列生成SPR的仿真结构，(b) 俯视图，(c) 入射到IMI基板上沉积单个馈电元件的仿真结构，(d) 在IMI基板上操纵SPR的仿真结构，(e) 位于IMI基板上单个YUNA馈电元件的仿真结构，(f) 使用两组YUNA阵列生成两个光束，(g) 以及使用三组YUNA阵列生成三个光束
DOI: 10.12677/mp.2020.103004
30
现代物理
武明静 等
Figure 12. (a)~(c) Snapshots of electric energy density contours in x-z plane for P = 136, 176 and 240 nm, respectively. (d) The electric energy density contour in the y-z plane
图12. (a)~(c) 分别在P = 136、176和240 nm的情况下，x-z平面中的电场能量密度分布图，(d) 在y-z平面上的电场能量密度分布图
2019年，Z. Su等[31]通过合理设计石墨烯超表面实现对Smith-Purcell辐射的按需控制，如图13所示。通过调节石墨烯超表面的结构和费米能级来完全控制辐射波的幅度，相位和极化状态。通过设计超表面每个晶胞的几何参数，可以将每个晶胞的辐射波强度从零更改为最大值，石墨烯带的宽度会影响诱导的石墨烯等离子体激元共振的强度，改变石墨烯带的宽度来控制辐射幅度。同时，通过调节图案化石墨烯结构的位移，在超表面结构任何位置处，辐射波的相位可以在2π的范围内变化。利用这两个特性，可以控制Smith-Purcell辐射的方向，并用双焦点聚焦辐射波。此外，通过引入交叉极化来实现具有任意相位的圆极化波。这为设计电子束感应光源以及具有高效率和紧凑空间的粒子探测器提供了一种新方法。
(a) (b)
DOI: 10.12677/mp.2020.103004
31
现代物理
武明静 等
(c) (d)
Figure 13. (a) Schematic of Smith-Purcell radiation mediated by graphene metasurface; (b) Depen-dence of the reflectance and phase on the width of the grapheme ribbons. Electric field distribution of graphene metasurface at a frequency of (c) 2 THz and (d) 1.83 THz
图13. (a) 石墨烯超表面的Smith-Purcell辐射结构示意图，(b) 反射率和相位对石墨烯带宽度的依赖性，(c) 石墨烯超表面在频率2 THz处的电场分布图，(d) 1.83 THz
3. 总结与展望
金属光栅结构上的Smith-Purcell辐射是一种经典的电磁辐射，当运动电子束团通过周期金属光栅表面时，会产生电磁波辐射。毫米或微米量级结构产生的Smith-Purcell辐射恰好是太赫兹频段的电磁波，在开发紧凑、可调和高功率太赫兹辐射源方面具有重要的研究价值[32] [33] [34] [35]。根据上述太赫兹辐射源的研究现状，目前人们利用有限差分时域分析、CST软件等方法对由运动电子束产生的太赫兹频段的Smith-Purcell辐射进行了大量的研究，例如通过在光栅的鳍片上钻一个孔作为有效的电子通道，增加移动的振荡偶极子数量来增强辐射强度；通过改变周期电子束团的频率，实现辐射源的广泛可调谐性；引入二维材料石墨烯，激发石墨烯的等离子体激元共振，通过改变石墨烯层的外部参数可以在很宽的光谱范围内调节辐射频率。这为开发可调谐和微型自由电子太赫兹辐射源提供了可能[36] [37] [38] [39]。
尽管人们对光栅结构产生Smith-Purcell辐射的物理机理进行了较深入的研究，但是，当一般电子束在靠近金属光栅表面移动时，它将向各个方向发射电磁辐射，且辐射的幅度较弱，在实际应用中不方便控制，且结构大多采用刻有周期槽的全金属平板光栅，色散较强。使用二维超表面结构的太赫兹辐射源不仅可以极大地提高Smith-Purcell辐射的效率，还可以使电磁波更集中的定向辐射。若引入石墨烯，可以通过调节石墨烯超表面的结构和费米能级来完全控制辐射波的幅度，相位和极化状态，为开发更高强度和更集中定向辐射的电子束驱动的太赫兹源提供了有效方法。
随着电子束团驱动装置的工作频率逐渐接近太赫兹频段，结构尺寸不断减小，定向产生辐射和性能优化成为了关键挑战。为满足需求，设计二维超表面太赫兹辐射源结构以产生更高强度和更集中定向的辐射是未来发展的主要方向。随着微纳米技术的不断发展，使制造更精细的微纳米超材料成为可能，为进一步提高Smith-Purcell辐射效率和定向性提供了必要的前提条件。
参考文献
[1] Williams, G.P. (2006) Filling the THz Gap-High Power Sources and Applications. Reports on Progress in Physics, 69,
301-326. https://doi.org/10.1088/0034-4885/69/2/R01 [2] Agusu L., Idehara, T., Mori, H., et al. (2007) Design of a CW ITHz Gyrotron Using a 20th Superconducting Magnet.
International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 28, 315-328. https://doi.org/10.1007/s10762-007-9215-y [3] Manohara, H.M., Siegel, P.H., Marrese, C., et al. (2002) Fabrication and Emitter Measurements for a Nanoklystron: A
Novel THz Micro-Tube Source.
DOI: 10.12677/mp.2020.103004
32
现代物理
基于Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射源研究进展
