THz振荡器双光栅开放腔的高频特性研究*杨路路也3,杨军⑴，邓光晟那，董必良123,阮久福巳席洪柱°(1•合肥工业大学特种显示技术教育部重点实验室，介肥230009；2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥230009；3.合肥工业大学光迫技术研究院，合肥230009；4•安徽华东光电技术研究所，安徽芜湖241(X)2)摘要：针对双开槽的双光栅开放式谐振，提出了一种基于矩形波导谐振腔理论的计算方法，给出TE04模式场分布的结构设计修正公式，用于进行准光学谐振腔结构设计优化，通过增强电F注区域的电场强度，可有效提高电子效率。同时对双光栅慢波结构"冷”色散特性进行了计算,分析了不同参数对高频特性的彩响。结果:表明，双光栅槽宽和电子注通道宽度的变化会对其色散特性的频带上限产生较大影响。关键词：THz绕射辐射：双光栅：谐振结构；色散：TN129发展高功率、宽频带、小型化太赫兹辐射源是开发利用太赫兹频谱的关键技术和难点之一。近儿年来,真空电了器件在THz辐射源方面取得迅速的发展，特别是微加工技术和真空电了学结合形成的微型真空电了器件。利用微波管分布作用原理，使其工作频率可以达到太赫兹波段，如返波管(BWO)、扩展互作用管(EIO)、反射速调管、纳米速调管及基于Smith-Purcell效应的奥罗管(Orotron)和自山电子激光器(FEL)等器件的丄作频率已接近甚至达到lTHzll|oTHz电真空器件有望在提供较高输出功率的同时保持紧凑结构。基于光栅结构的绕射辐射器件由于可以发展为紧凑、频率可调、低电压的THz辐射源，因而受到高度的关注，成为THz辐射源中的热点研究领域卩叫。但随着绕射辐射器件丄作频率向THz频段的扩展，注.波互作用效率逐渐降低，这就要求高密度的驱动电流和高质录的电了束，对阴极及聚焦系统提出了极高的要求。为了提高绕射辐射器件的工作频率、输出功率以及电子效率等性能，各国学者在理论模型、物理机理和慢波结构设计方面进行了大量的探索研究。乌克兰学者Miroshnichenko和Yeryomka等人则从开口准光学谐振腔的角度，对谐振腔内电磁场模式分布进行优化，提高SP辐射波与谐振腔内电磁场耦合效率，实现大功率输出。在此基础乂提出了双光栅结构奥罗管概念(Orbicmrn),其结构如图1所示。这种结构极大的提高了电子注的利用效率，较传统奥罗管效率提高2・4倍，報管效率可达10%以上®61。2011年，YeryomkaV.D.ffi其发表的文章中研究了奥罗管中开槽对整个谐振场的影响⑸；V.K.Komeenkov和A.I.Tsvyk在2007年报告了他们设计的8mm波双光栅奥罗管实验数据⑺；MyasinYe.A.在近两年发表了几篇关于140GHz〜3()0GHz双光栅奥罗管的实验研究成果18'101,但是以上文章均未提出关于谐振腔具体的设计方法。对于单光栅色散特性的研究已有很多l，h121,而在双光栅方而，Freund.H.P与T.M.Abu-Elfadl对交错及对称放置的双光栅的色散特性分别进行了详细的理论分析I"】，Myasin.Y.A等人对双光栅结构的空间谐波能量分布也进行了相应的研究⑷，但这些理论分析和研究对于双光栅奥罗管中一端封闭而另一端开放的双光栅结构并不完全适用。因此，木文在谐振结构作者简介：杨路路(1988-),男，在读硕士研究生，主要研究方向为基于真空电子学的太赫兹绕射珞谢器件；yhwd@163通信作者：杨军(1978-),男，陣士，副研究员，硕士生导师，主要研究方向为微波电子学、TIIz微型真空电子器件技术及应用。的设计基础上进一步对双光栅的“冷”色散特性做了相关的研究工作。工作原理Fig.lOi-bictronstructure图1双光栅奥罗管结构图在双光栅奥罗管小，由电子注经过双光栅通道激发的电磁波，通过上下镜面的反射聚焦，在谐振腔内形成TEM00q模式的场分布⑹。在开放腔内，其谐振场在轴线附近为准TEM模式，而在光栅槽中，光栅齿将空间周期性分隔为多个矩形波导谐振结构。由于在周期结构中与电了注作用的电场方向为y方向，因此,我们讨论的对象均为y方向的电场。对于开放腔中的TEMooq模式，电场在整个结构小的y方向上保持连续一致，而在山光栅分隔对应的谐振腔中，其对应的谐振模式为TE）】模式。因此，我们将整个谐振结构利用波导谐振腔理论进行分析。矩形匹配槽的加入使谐振场的能量更有效的集小在互作用区域，同时减小谐振场...