基于超辐射机制的太赫兹Smith-Purcell自由电子激光特性研究

The terahertz(THz) radiation source is one of key issues for developing THz science and technology.The Smith-Purcell terahertz free electron laser (THz SP-FEL) is a potential for the development of compact, tunable and high-power vacuum electronics terahertz source. This project proposes a novel Smith-Purcell terahertz free electron laser operating in the super-radiant regime. The device consists of two open spherical cavities, a ring electron beam and a three-stage cylindrical grating (i.e. bunching stage, drift stage, radiating stage). It has the characteristics of an electron beam of transmission stability and to be shaped easily, a high efficiency of beam-wave interaction. Through the analysis of its high frequency characteristics, the super-radiance mechanism in this Smith-Purcell device, beam-wave interaction by using the nonlinear theory, PIC simulation and experiment test, a set of optimal operating parametera are obtained.The feasibility of the development of a low -cost, compact, tunable and high-power terahertz device. It is a valuable work to further promote the progress of their design and applications.

太赫兹源是太赫兹科学与技术发展的关键一环，太赫兹Smith-Purcell自由电子激光（简称SP-FEL）是很有发展潜力的小型化、可调谐、高功率真空电子学太赫兹源之一。本项目提出一种新型结构的、基于超辐射机制的Smith-Purcell太赫兹自由电子激光设计方案，即采用开放球面谐振腔、环形电子束、三段柱形光栅结构（群聚段、漂移段、辐射段）。该结构具有电子束传输稳定、易于成型、束-波互作用效率高等特点。利用非线性理论、粒子模拟、实验测试等方法深入研究其谐振腔的高频特性、束-波互作用非线性特性、Smith-Purcell的超辐射机制和条件等，以获得该器件产生太赫兹（频率介于0.5THz-1.0THz）超辐射的最优结构参数和工作参数。探索这种结构实现可调谐、高功率、小型化太赫兹辐射源的可行性，进一步推动其实用化进程。

太赫兹波是一种新颖的、具有独特优点电磁波源，具有广阔的应用前景。太赫兹波段的Smith-Purcell (S-P) 器件具有体积小、重量轻、频率可调谐等优点，成为开发太赫兹真空电子器件的重要途径之一。本课题开展了基于超辐射机制的太赫兹波段Smith-Purcell器件研究，研究内容及取得成果包括如下方面：深入研究了谐振腔的光学性质、电磁学特性及三维场分布特征，进而分析其传输特性、品质因数以及结构参数对谐振腔的高频特性影响，并利用HFSS软件对谐振腔的高频特性进行了模拟计算，对高频系统结构参数进行优化；导出了描述太赫兹波段Smith-Purcell器件的非线性运行方程，编制数值计算程序，研究了束-波互作非线性工作特性，分析了实现超辐射的物理条件和相关途径，讨论了超辐射脉冲增益、脉冲饱和功率、脉冲时间宽度以及进一步提高超辐射值功率措施；利用用粒子模拟软件Magic和VORPAL，进一步模拟分析了束-波互作用特性，优化了器件结构，获得器件最佳的工作状态下（频率介于0.5THz-1.0THz）的结构参数和工作参数。此外，在本项目支持下还开展了光子晶体谐振器研究，电磁波散射研究、电磁波与媒质的互作用特性研究，以及利用量子光学理论研究了谐振-波导结构中光子的纠缠特性，为探索更为优化的S-P器件新结构及新的机理进行了基础研究。课题的研究成果为发展可调谐、高功率、小型化太赫兹电真空器件提供重要参考。