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原文传递一种增强多色相干SPR器件及其控制方法

专利名称：	一种增强多色相干SPR器件及其控制方法
摘要：	本发明公开了一种增强多色相干SPR器件及其控制方法。本发明采用金属复合光栅，对槽的深度进行周期性调制，在一个深度调制周期内包括m个深度不同的槽；自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，最多激发(m‑1)个辐射频率的多色相干SPR；一个深度调制周期中不同深度的槽中分布的谐振模式不同，高频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率；通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目；在电子束的工作电压变化的过程中，各个方向上的辐射具有频率锁定的特性；本发明将辐射频率提高到两个数量级，辐射效率较高；实现多个相干辐射频率，辐射结构简单，且不需要群聚电子束，易于在微型互作用电路中实现。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京大学
发明人：	杜朝海;朱娟峰;包路遥;刘濮鲲
专利状态：	有效
申请日期：	2019-02-27T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910144710.4
公开号：	CN109916862A
代理机构：	北京万象新悦知识产权代理有限公司
代理人：	王岩
分类号：	G01N21/59(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100871 北京市海淀区颐和园路5号
主权项：	1.一种增强多色相干SPR器件，其特征在于，所述增强多色相干SPR器件包括：金属复合光栅；金属复合光栅的单周期长度为p，槽的宽度为a，对槽的深度进行周期性调制，深度调制周期为L，L为p的整数倍，即L＝mp，m为≥2的自然数，在一个深度调制周期内包括m个槽，槽的深度分别为h1～hm；自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，自由电子束的工作电压为U；根据单周期长度p、槽的宽度a、深度调制周期L，m个槽的深度h1～hm和自由电子束的工作电压为U，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散方程，确定色散线；电子束的色散线与金属复合光栅的色散线的交点为互作用点，当互作用点位于辐射区域时，激发出互作用点对应频率的空间辐射；根据辐射特性，整个色散空间划分为辐射区和非辐射区，金属复合光栅的色散线分裂成m个通带，其中频率最低的通带位于非辐射区域中，剩余(m-1)个通带在辐射区域非辐射区均有分布，因此，通过调节电子束的工作电压，使得最多有(m-1)个互作用点位于辐射区域，相应形成(m-1)个辐射频率的多色相干SPR；一个深度调制周期构成一个谐振腔，谐振腔中槽的深度不同；色散线描述了谐振腔的谐振特性，不同的通带代表谐振腔的不同谐振模式；不同深度的槽中谐振模式的分布不同，高辐射频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率；辐射角度与辐射频率有关；通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目。 2.如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件，其特征在于，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散关系矩阵M，大小为m×m，其中元素M(i,l)表示为：其中，i＝1,…,m，l＝1,…,m，kzn＝kz+2nπ/L为n次空间谐波的纵向波矢，kz为纵向波矢，n次谐波分布在第n布里渊区中为n次空间谐波的波矢，k0＝ω/c＝2πf/c为自由空间波矢，c为真空中的光速，δ(i-l)为单位冲激函数，f为频率。 3.如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件，其特征在于，电子束色散线的计算式为： ω＝vekz 其中，ω＝2πf为角频率，kz为纵向波矢，ve为电子束的速度，e为电子电荷量，m0为电子质量，U为电子束的工作电压，f为频率。 4.如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件，其特征在于，深度为hi的第i个槽的主要谐振模式频率分量fm近似为：其中，d为对应的谐振模式，c为真空中的光速。 5.如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件，其特征在于，辐射角度θ与辐射频率fr的关系为：其中，n指的是互作用点位于n次谐波中，ve是电子束的速度。 6.一种如权利要求1所述的增强多色相干SPR器件的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤： 1)设计金属复合光栅；金属复合光栅的单周期长度为p，槽的宽度为a，对槽的深度进行周期性调制，深度调制周期为L，L为p的整数倍，即L＝mp，m为≥2的自然数，在一个深度调制周期内包括m个槽，槽的深度分别为h1～hm； 2)自由电子束在金属复合光栅的表面飞过，自由电子束的工作电压为U； 3)根据单周期长度p、槽的宽度a、深度调制周期L，m个槽的深度h1～hm和自由电子束的工作电压为U，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散方程，确定色散线； 4)电子束的色散线与金属复合光栅的色散线的交点为互作用点，当互作用点位于辐射区域时，激发出互作用点对应频率的空间辐射； 5)根据辐射特性，整个色散空间划分为辐射区和非辐射区，金属复合光栅的色散线分裂成m个通带，其中频率最低的通带位于非辐射区域中，剩余(m-1)个通带在辐射区域非辐射区均有分布，因此，通过调节电子束的工作电压，使得最多有(m-1)个互作用点位于辐射区域，相应形成(m-1)个频率分量的多辐射频率相干SPR； 6)一个深度调制周期构成一个谐振腔，谐振腔中槽的深度不同；色散线描述了谐振腔的谐振特性，不同的通带代表谐振腔的不同谐振模式；不同深度的槽中谐振模式的分布不同，高频率的谐振模式主要分布在深度浅的槽中，因此通过调节对应槽的深度实现调节辐射频率； 7)辐射角度与辐射频率有关； 8)通过调节深度调制周期中槽的个数进行调节辐射频率的数目。 7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步骤3)中，按照模式匹配法求得金属复合光栅的色散关系矩阵M，大小为m×m，其中元素M(i,l)表示为：其中，i＝1,…,m，l＝1,…,m，kzn＝kz+2nπ/L为n次空间谐波的纵向波矢，kz为纵向波矢，n次谐波分布在第n布里渊区中为n次空间谐波的波矢，k0＝ω/c＝2πf/c为自由空间波矢，c为真空中的光速，δ(i-l)为单位冲激函数，f为频率。 8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步骤4)中，电子束色散线的计算式为： ω＝vekz 其中，ω＝2πf，kz为纵向波矢，ve为电子束的速度，e为电子电荷量，m0为电子质量，U为电子束的工作电压。 9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步骤6)中，深度为hi的第i个槽的主要谐振模式频率分量fm近似为：其中，d为对应的谐振模式，c为真空中的光速。 10.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步骤7)中，辐射角度θ与辐射频率fr的关系为：其中，n指的是互作用点位于n次谐波中。
所属类别：	发明专利