高功率太赫兹电子回旋脉塞研究

Electron Cyclotron Maser is an important high-power high-efficiency terahertz radiation source, which has broad applications in radar, wireless communications and controlled thermonuclear fusion. Currently, the main factor constraints terahertz electron cyclotron maser frequency improvement is the strong magnetic field, so that, high harmonic operation, which could reduce the required magnetic field strength, is an important development direction of the terahertz electron cyclotron maser. In the project, we proposed developing high-power and high-efficiency terahertz radiation source based on two ways, the third harmonic and two-electron electron beams Electron Cyclotron Maser. Through establishing theory of the two electrons, the higher order modes, and high harmonic beam - wave interaction in Electron Cyclotron Maser, we will research the beam-wave interaction characteristics in the high-frequency resonant system, master the mode selection and suppression techniques, and explore the physical mechanisms, methods and key technologies to generate high-power high-efficiency high-harmonic terahertz radiation based on Electron Cyclotron Maser. Then, the principle experiment would be carried out. A terahertz radiation, which frequency up to 0.5THz, power greater than 1kW, efficiency more than 1%, would be generated. The results of this project will promote the physical research and technology development of terahertz radiation sources, and will provide technical support for the development of application systems.

电子回旋脉塞是一种重要的高功率高效率太赫兹辐射源，在雷达、无线通讯及受控热核聚变等方面具有广阔的应用。目前制约太赫兹电子回旋脉塞频率提高的主要瓶颈是强磁场，因此采用高次谐波工作降低所需磁场强度是太赫兹电子回旋脉塞的重要发展方向。本项目提出基于三次谐波与双电子注电子回旋脉塞发展高功率高效率太赫兹辐射源的两种途径。通过建立双电子注及高次谐波高阶模式电子回旋脉塞的注波互作用理论，研究回旋电子束在高频谐振系统中的注波互作用特性与规律，掌握模式选择与抑制技术，探索电子回旋脉塞实现高功率高效率高次谐波的太赫兹辐射的物理机制、方法与关键技术。在此基础上，开展高功率太赫兹电子回旋脉塞辐射源的原理性实验，实现频率大于0.5THz、功率大于1kW、效率大于1%的太赫兹辐射输出。本项目的研究成果将推动太赫兹辐射源的物理研究和技术发展，为应用系统的发展提供技术支撑。

大功率太赫兹辐射源在远程雷达、通信、材料、生物医学应用、拒止武器等方面具有极其重要的应用价值和前景，是目前太赫兹科学技术发展的重要方向。发展大功率太赫兹辐射源对我国现代科学技术、国民经济和国防建设等方面具有重大的战略意义。随着近年科技水平的提升，基于传统器件的太赫兹辐射源在工作频率、输出功率、转化效率和工作温度等性能上取得了长足的进步，但在频率覆盖范围、输出功率强度或易用性上仍与广泛的太赫兹应用要求存在一定的差距。.课题组在国际上首次提出了双电子注回旋管的概念，完成了理论分析和原理性验证，实现了0.11/0.22THz、20kW的双频工作双电子注太赫兹回旋管。成功研制出国内首支重复频率100Hz， 频率0.42THz，输出功率20kW的二次谐波回旋管。该成果已被德国每年公布的《电子回旋脉塞与自由电子激光研究进展报告》收录，综合技术指标达到国际先进水平。.提出利用平行运动电子注掠过金属薄膜表面，激发薄膜中表面激元并利用介质基底将其转化为切伦科夫辐射，从而产生相干增强的光波辐射。这一成果发表在Physical Review Letters上，并被Nature Physics评价为“揭示了一种全新的切伦科夫辐射现象，这是一个十分令人惊喜的成果，这种物理现象对于发展辐射源、探测器十分重要”。在国际上首先对电子注激励石墨烯表面等离子体激元进行了详细研究，结果表明平行运动电子注能激励起相干可调的、在传播方向不衰减的表面等离子体激元，这种辐射可以产生1-30THz的太赫兹波。.本项目实施过程中，在PRL, APL, OE, IEEE EDL, IEEE T ED/PS, POP等国内外期刊和本领域重要的国际会议(IRMMW-THz, UCMMT等)上发表论文61篇，其中在期刊(如PRL, APL, IEEE Trans.等)上发表论文39篇，在国际主流会议 (IRMMW-THz等)上发表论文22篇。美国授权发明专利1项，申请中国专利12项, 授权3项。培养博士研究生10名、硕士研究生30名，项目组通过参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。