太赫茲準光回旋器件的三維數值模擬仿真.pdf

1、太赫茲是指頻率介于0.1THz-10THz的電磁波,由于其廣拓的應用前景受到各國科研人員的普遍重視,發(fā)展十分迅速。由于太赫茲波介于紅外光與毫米波之間,所以它獨特的優(yōu)點使其可以應用與成像技術、安全檢查、THz雷達輻射等方面。然而太赫茲技術的關鍵之處在于產生太赫茲電磁波,因此開發(fā)具有高功率和高效率的太赫茲波源是發(fā)展太赫茲技術的基礎。到目前為止,太赫茲回旋器件是太赫茲頻段中輸出功率最高的輻射器件,所以大力研發(fā)太赫茲回旋器件成為熱門課題。

2、>　　然而太赫茲器件隨著工作頻率的提高,其中的尺寸共渡效應和功率容量等問題難以得到完善的解決。一般情況下使用高次模式作為工作模式能提高功率的輸出,但是高次模式工作往往會引入模式競爭等問題。尤其是在太赫茲頻段,太赫茲回旋器件的尺寸比普通微波器件相對更小,所以它的競爭模式問題就更加難以得到抑制。因此,研究一種能工作于太赫茲頻段并且能很好解決模式競爭問題的高頻互作用結構成為工作重點。經過長期的探索發(fā)現,準光波導中的不同模式衍射損耗的不同使其具

3、有較好的模式選擇特性,所以利用準光波導結構作為互作用段能用來解決模式競爭問題。
　　研究回旋管的重點是分析其注波互作用效率。由于電子群聚和能量交換都是在注波互作用過程中完成,所以研究其互作用過程成為工作重點,但是由于太赫茲回旋器件的加工與實驗相對復雜,所以在研發(fā)之初對其進行數值模擬研究已成為必要流程。在教研室科研項目的支撐下,本論文利用自主研發(fā)的三維粒子模擬軟件CHIPIC對0.22THz太赫茲回旋器件進行了理論研究與三維數值模擬

4、仿真。具體研究內容如下:
　　1、對準光波導結構的回旋器件做結構分析和理論研究,通過深入研究準光腔中的高斯波束方程,分析其電磁模式的場分布表達式。其次,研究準光波導中的衍射損耗問題,分析其中的模式競爭問題,為準光波導作為回旋管的中間腔互作用結構打下基礎。
　　2、對準光腔回旋振蕩管進行了理論分析,主要包括回旋管動力學理論的研究、色散方程的推導。并且選取合適結構進行初步設計,最后運用三維粒子模擬軟件CHIPIC對其進行數值模擬

5、仿真。分析其工作特性。研究相關電參數對工作性能的影響,為后期回旋管放大器的實驗研制做基礎準備。
　　3、分析回旋返波管的工作原理,設計一只中心頻率在0.22THz的準光波導結構的回旋返波管,并利用三維粒子模擬軟件對其優(yōu)化仿真,分別分析其磁場調諧與電壓調諧,通過優(yōu)化結構參數,最后得到滿足頻帶與功率要求的回旋返波管。最后通過回旋行波管模擬仿真與自激振蕩實驗數據進行了對比,得到了仿真數據與實驗數據一致的結果,印證了數值模擬仿真的準確性與