自由电子激发周期微纳结构产生Smith-Purcell辐射的研究

论文摘要

经过长期的发展,电子学与光子学在各自领域内都取得了飞速进步,但随着近年来人们对辐射源需求的日益增长,仅利用这两者之一的相关技术发展辐射源遇到了巨大的瓶颈。因此,探寻利用电子学与光子学相结合的研究方向就变得极具意义。在这些方向中,将电子学与光子学相结合产生电磁辐射就是一个极为重要的研究方向。随着近年来电子束源和微纳加工技术水平的不断提升,利用自由电子激励金属结构产生电磁辐射成为可能。在这样的研究背景下,我们对自由电子激发金属微纳结构中的表面等离子体激元（SPPs）,以及SPPs在光栅周期结构下产生的Smith-Purcell辐射进行了深入的研究。在本论文中,我们对电子束平行掠过金属薄膜的物理过程进行了详细的分析。论文研究了其激励起的SPPs两种模式,对称模与非对称模,并通过改变相关参量发现金属薄膜的厚度,电子注的能量,金属材料对SPPs的影响。在能够激励出金属结构中SPPs的基础之上,我们希望通过特定的物理机制,探究SPPs产生电磁辐射及其增强问题。随后,我们研究了平行电子注掠过PEC光栅的物理过程,通过数值计算和模拟验证了理论公式中对Smith-Purcell的辐射性质的描述并分析了该过程中产生的表面波和远场的Smith-Purcell辐射。通过相关参数的改变,探究了平行电子束能量,光栅自身的参量例如光栅周期、光栅深度、光栅占空比等对表面波和远场辐射的影响。研究证明,可以通过PEC光栅的周期与激励的电子束的加速电压对Smith-Purcell辐射的频率进行调谐。随着周期增大,其辐射频率逐渐减小;电子束的加速电压增强,其频率相应地增大。占空比与光栅深度只对辐射效率有影响。而对于表面波而言,可以通过对PEC光栅自身参量（例如光栅周期P和间隙深度h）和电子束能量的改变对频率进行调谐。在金属光栅中,SPPs、Smith-Purcell辐射和表面波可以同时被平行电子束激发。在本论文中,我们对平行电子注激励金光栅的物理过程进行合理地推理与证明。我们通过前面PEC光栅的研究,了解到在金光栅的激励过程中发生了相似的物理过程,材料的改变并没有改变Smith-Purcell辐射。但与此同时,SPPs随着电子束能量变化,光栅深度的改变发生了一系列的变化,SPPs的两种模式的频率差异也越来越大。数值分析和模拟证明,如果金属光栅结构参数和电子束的能量相互匹配,那么就可以得到通过SPPs增强的Smith-Purcell辐射。最后,依照仿真结果的分析,我们设计了合适的金光栅,并通过改装过的SEM和光谱仪进行实验研究。扫描电子显微镜提供了一种集束性的电子束,光谱仪用来分析光纤接收到的激励过程中产生的辐射场,对信号进行后期处理获得相应的频谱图。我们利用扫描电子显微镜产生的聚束电子对以无氧铜作为基底的金光栅结构进行激励,在产生的频谱图中发现了Smith-Purcell辐射的-2-4次谐波的存在,并通过扫描电子显微镜对相应的参数进行改变例如电子束能量,激励的角度,远场辐射的接受角度,对前面数值和模拟的结果进行验证。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李征

导师: 刘盛纲

关键词: 平行电子束,扫描电子显微镜,辐射,周期结构,表面等离子体

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 电子科技大学

分类号: O441

总页数: 69

文件大小: 3679K

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