太赫茲準(zhǔn)光回旋器件的三維數(shù)值模擬仿真.pdf

1、太赫茲是指頻率介于0.1THz-10THz的電磁波,由于其廣拓的應(yīng)用前景受到各國科研人員的普遍重視,發(fā)展十分迅速。由于太赫茲波介于紅外光與毫米波之間,所以它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使其可以應(yīng)用與成像技術(shù)、安全檢查、THz雷達(dá)輻射等方面。然而太赫茲技術(shù)的關(guān)鍵之處在于產(chǎn)生太赫茲電磁波,因此開發(fā)具有高功率和高效率的太赫茲波源是發(fā)展太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ)。到目前為止,太赫茲回旋器件是太赫茲頻段中輸出功率最高的輻射器件,所以大力研發(fā)太赫茲回旋器件成為熱門課題。

2、>　　然而太赫茲器件隨著工作頻率的提高,其中的尺寸共渡效應(yīng)和功率容量等問題難以得到完善的解決。一般情況下使用高次模式作為工作模式能提高功率的輸出,但是高次模式工作往往會引入模式競爭等問題。尤其是在太赫茲頻段,太赫茲回旋器件的尺寸比普通微波器件相對更小,所以它的競爭模式問題就更加難以得到抑制。因此,研究一種能工作于太赫茲頻段并且能很好解決模式競爭問題的高頻互作用結(jié)構(gòu)成為工作重點(diǎn)。經(jīng)過長期的探索發(fā)現(xiàn),準(zhǔn)光波導(dǎo)中的不同模式衍射損耗的不同使其具

3、有較好的模式選擇特性,所以利用準(zhǔn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為互作用段能用來解決模式競爭問題。
　　研究回旋管的重點(diǎn)是分析其注波互作用效率。由于電子群聚和能量交換都是在注波互作用過程中完成,所以研究其互作用過程成為工作重點(diǎn),但是由于太赫茲回旋器件的加工與實(shí)驗(yàn)相對復(fù)雜,所以在研發(fā)之初對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究已成為必要流程。在教研室科研項(xiàng)目的支撐下,本論文利用自主研發(fā)的三維粒子模擬軟件CHIPIC對0.22THz太赫茲回旋器件進(jìn)行了理論研究與三維數(shù)值模擬

4、仿真。具體研究內(nèi)容如下:
　　1、對準(zhǔn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的回旋器件做結(jié)構(gòu)分析和理論研究,通過深入研究準(zhǔn)光腔中的高斯波束方程,分析其電磁模式的場分布表達(dá)式。其次,研究準(zhǔn)光波導(dǎo)中的衍射損耗問題,分析其中的模式競爭問題,為準(zhǔn)光波導(dǎo)作為回旋管的中間腔互作用結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。
　　2、對準(zhǔn)光腔回旋振蕩管進(jìn)行了理論分析,主要包括回旋管動(dòng)力學(xué)理論的研究、色散方程的推導(dǎo)。并且選取合適結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì),最后運(yùn)用三維粒子模擬軟件CHIPIC對其進(jìn)行數(shù)值模擬

5、仿真。分析其工作特性。研究相關(guān)電參數(shù)對工作性能的影響,為后期回旋管放大器的實(shí)驗(yàn)研制做基礎(chǔ)準(zhǔn)備。
　　3、分析回旋返波管的工作原理,設(shè)計(jì)一只中心頻率在0.22THz的準(zhǔn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的回旋返波管,并利用三維粒子模擬軟件對其優(yōu)化仿真,分別分析其磁場調(diào)諧與電壓調(diào)諧,通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),最后得到滿足頻帶與功率要求的回旋返波管。最后通過回旋行波管模擬仿真與自激振蕩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,得到了仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致的結(jié)果,印證了數(shù)值模擬仿真的準(zhǔn)確性與