一系列电子束激发的高阶导模的太赫兹辐射

太赫兹辐射技术是当前科学研究领域极为热门的话题，由于其在无线通讯、医疗成像、安全检测等多个应用领域的巨大潜力，研发理想的太赫兹辐射源一直是科学家们努力的方向。传统的真空电子器件，如后向波振荡器（BWO）和回旋管（gyrotron），是太赫兹区域内主要的辐射源。BWO能够在远低于1THz的频率下生成毫瓦级别的辐射功率，但当频率接近1THz时，由于其非常小的结构尺寸和非常高的起始电流密度，功率会迅速下降。而gyrotron能够在频率达到1THz时产生千瓦级别的辐射，但其需要外部强烈的磁场支持，获取不易，且通常成本高昂。 在太赫兹技术的研究中，探索一种新的辐射方案以实现成本低、体积小、功率相对较高的太赫兹辐射源一直是科学界的追求。一种新的辐射方案被提出并通过数值模拟进行了研究，该方案采用一串电子束的高次谐波来激发高阶导模，从而生成频率接近1THz的辐射。这一方案利用具有相对较大结构尺寸的波导管，并且束流频率远低于辐射频率，从而可能成为实用太赫兹源的一个有前途的候选方案，因为它打破了传统真空电子器件在太赫兹区域的两个主要瓶颈：非常小的结构尺寸和难以接近的电子束结构。 太赫兹波辐射的独特之处在于其介于毫米波和红外波之间的频率范围，这个特殊的频率区间使其在很多领域具有独特的应用价值。然而，太赫兹源的开发面临诸多挑战，包括如何实现高功率、高效率的辐射输出，以及如何实现太赫兹波的定向传输和调制等。在研发太赫兹源的过程中，既要考虑辐射源的物理机制，又要考虑其在实际应用中的可行性。 上述提出的新的辐射方案通过数值模拟验证了其有效性，表明通过激发高阶导模可以实现高功率太赫兹辐射的生成。研究指出，通过使用电子束的高次谐波，可以在较大尺寸的波导结构中激发所需的高阶模态，从而获得接近1THz的太赫兹辐射。这种方法相对于传统的太赫兹源，有其独特的优势，包括无需高密度的起始电流和不需要外部提供昂贵的强磁场。 此外，该方案还展现了在太赫兹源开发中对纳米尺度周期性结构的潜在应用。在纳米结构的电子束激发下实验观察到了可调谐的光辐射现象，这表明了纳米技术在太赫兹技术领域的应用潜力。利用纳米尺度的结构与电子束相互作用产生的辐射现象，为太赫兹辐射源的设计和制备提供了新的思路和方法。 综合来看，太赫兹辐射源的研究与开发不仅需要在材料、器件物理机制上取得突破，还需要在纳米加工、光电子集成等高新技术领域有更深的探索和实践。随着技术的进步和应用需求的推动，太赫兹技术有望在不久的将来实现更多的技术突破，为社会进步和人类生活带来新的变革。