高功率太赫茲回旋管準(zhǔn)光模式變換器的研究.pdf

1、太赫茲（THz）科學(xué)技術(shù)是當(dāng)前最受關(guān)注的國(guó)際學(xué)術(shù)前沿領(lǐng)域之一，為各國(guó)優(yōu)爭(zhēng)相搶占的科技制高點(diǎn)，它的發(fā)展對(duì)提高國(guó)家科技實(shí)力、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維護(hù)國(guó)土安全和社會(huì)安定都具有前瞻性、戰(zhàn)略性和全局性的重大意義。近年來(lái)，THz回旋管作為T(mén)Hz頻段高功率輻射源受到了廣泛關(guān)注，它解決了THz科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受制于缺乏穩(wěn)定高效高功率THz輻射源的問(wèn)題?；匦苁且环N典型的相對(duì)論電子學(xué)快波器件，它產(chǎn)生高功率THz波的原理是電子注在縱向磁場(chǎng)中回旋與高頻角向

2、電場(chǎng)互相作用后產(chǎn)生受激輻射，又稱為電子回旋脈塞。在各國(guó)的努力下，回旋管朝著更高輸出功率和頻率的方向發(fā)展，它的工作模式通常要選用高階模式以增加諧振腔的功率容量、減少歐姆損耗。這種高階模式不利于THz波的遠(yuǎn)距離傳輸和應(yīng)用，需要采用模式變換器將這些高階波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換成更利于傳輸?shù)牡碗A波導(dǎo)模式或者是高斯波束。由于傳統(tǒng)的波導(dǎo)模式變換器尺寸大不利于緊湊設(shè)計(jì)而且模式變換過(guò)程中模式競(jìng)爭(zhēng)和損耗嚴(yán)重。而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)緊湊和方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)的準(zhǔn)光模式變換器現(xiàn)

3、在已被廣泛使用，所以研究用于高功率THz回旋管的準(zhǔn)光模式變換器具有非常重要的意義。
　　本文首先對(duì)應(yīng)用于0.42THz-TE26模式和0.42THz-TE17,4模式回旋管的準(zhǔn)光模式變換器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，然后設(shè)計(jì)了能夠提高輸出光斑質(zhì)量的兩級(jí)相位校正鏡面，最后針對(duì)應(yīng)用于雙頻工作同軸雙電子注回旋管準(zhǔn)光模式變換器進(jìn)行了理論分析，并提出了運(yùn)用基于頻率選擇表面（FSS）的空間濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出功率雙頻分離的方法。具體的研究?jī)?nèi)容如下：<

4、br>　　1.從基本麥克斯韋方程組出發(fā)，基于導(dǎo)波場(chǎng)理論和幾何光學(xué)近似，描述了回旋管工作模式在圓柱波導(dǎo)中的傳輸過(guò)程；結(jié)合矢量繞射理論和迭代方法，分析了應(yīng)用于0.42THz-TE26模式回旋管準(zhǔn)光模式變換器中Vlasov型輻射器場(chǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與三維電磁場(chǎng)全波仿真軟件—FEKO的模擬結(jié)果吻合良好。
　　2.基于傳輸線理論和阻抗微擾理論，推導(dǎo)出考慮返波作用的耦合波方程，并分析了應(yīng)用于0.42THz-TE17,4模式回旋管準(zhǔn)光模式變換

5、器中Denisov型輻射器擾動(dòng)段電磁波耦合情況及輻射器場(chǎng)結(jié)構(gòu)，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果與FEKO模擬結(jié)吻合良好。
　　3.運(yùn)用幾何光學(xué)理論，推導(dǎo)了滿足匯聚要求的準(zhǔn)橢圓鏡和拋物鏡面在全局坐標(biāo)系下鏡面方程；基于矢量繞射理論，計(jì)算了各個(gè)規(guī)則鏡面及輸出窗處的場(chǎng)分布并與FEKO模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；結(jié)合KSA算法和矢量繞射理論，設(shè)計(jì)出了能很大程度提高輸出光斑質(zhì)量的兩級(jí)相位校正鏡，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果與 FEKO模擬結(jié)吻合良好。
　　4.對(duì)應(yīng)用于0.4

6、2THz-TE26模式和0.42THz-TE17,4模式回旋管的準(zhǔn)光模式變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中輻射器分別為Vlasov型和Denisov型，實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值吻合良好。
　　5.首先介紹了雙頻工作同軸雙電子注回旋管工作原理以及相應(yīng)的模擬結(jié)果，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基波和二次諧波同時(shí)工作的狀態(tài)得到驗(yàn)證；然后針對(duì)雙頻工作同軸雙電子注回旋振蕩管同時(shí)輸出的兩個(gè)模式，分析了運(yùn)用同一階梯型準(zhǔn)光模式變換器的模式轉(zhuǎn)換情