高功率太赫茲回旋管準光模式變換器的研究.pdf

1、太赫茲（THz）科學(xué)技術(shù)是當前最受關(guān)注的國際學(xué)術(shù)前沿領(lǐng)域之一，為各國優(yōu)爭相搶占的科技制高點，它的發(fā)展對提高國家科技實力、促進國民經(jīng)濟發(fā)展、維護國土安全和社會安定都具有前瞻性、戰(zhàn)略性和全局性的重大意義。近年來，THz回旋管作為THz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輻射源的問題。回旋管是一種典型的相對論電子學(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中回旋與高頻角向

2、電場互相作用后產(chǎn)生受激輻射，又稱為電子回旋脈塞。在各國的努力下，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)計而且模式變換過程中模式競爭和損耗嚴重。而具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計緊湊和方便應(yīng)用等優(yōu)點的準光模式變換器現(xiàn)

3、在已被廣泛使用，所以研究用于高功率THz回旋管的準光模式變換器具有非常重要的意義。
　　本文首先對應(yīng)用于0.42THz-TE26模式和0.42THz-TE17,4模式回旋管的準光模式變換器進行了理論和實驗研究，然后設(shè)計了能夠提高輸出光斑質(zhì)量的兩級相位校正鏡面，最后針對應(yīng)用于雙頻工作同軸雙電子注回旋管準光模式變換器進行了理論分析，并提出了運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。具體的研究內(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模式回旋管準光模式變換器中Vlasov型輻射器場結(jié)構(gòu)，數(shù)值計算結(jié)果與三維電磁場全波仿真軟件—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模式回旋管準光模式變換

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

6、2THz-TE26模式和0.42THz-TE17,4模式回旋管的準光模式變換器進行了實驗研究，其中輻射器分別為Vlasov型和Denisov型，實驗測試所得結(jié)果與理論預(yù)測值吻合良好。
　　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，并進行了相關(guān)實驗測試，實驗結(jié)果表明，基波和二次諧波同時工作的狀態(tài)得到驗證；然后針對雙頻工作同軸雙電子注回旋振蕩管同時輸出的兩個模式，分析了運用同一階梯型準光模式變換器的模式轉(zhuǎn)換情