高次谐波大回旋太赫兹振荡器多模工作特性

设计了一支可工作于4～9次谐波的大回旋太赫兹振荡管,借助于三维粒子模拟,研究了设计的大回旋振荡管注-波互作用机理、高次谐波工作特性、谐波模式间竞争等关键特性。结果表明,通过调节磁场强度,可以在多个相邻谐波处连续激发振荡,实现频率为240 GHz到460 GHz之间的太赫兹波辐射,最大辐射功率为19kW。同时研究了第7、8和9次谐波模式之间的竞争,讨论了实现稳定注-波互作用和高次谐波状态下单模工作的方法。此外,论文还对不同谐波状态下的欧姆损耗功率进行了研究。     

太赫兹空气相干探测技术中锁相放大器参数的影响与优化

锁相放大器在微弱信号测量中有非常重要的作用。在太赫兹空气相干探测技术中利用外置调制电场对激光在气体中四波混频作用产生的二次谐波进行调制,并以调制电场的频率作为锁相放大器的参考频率,能够完成对微弱的激光二次谐波的测量,使得二次谐波和太赫兹波电场成正比,从而将该探测技术转换成相干探测技术。采用Simulink对太赫兹空气相干探测技术中的锁相放大器参数的影响进行仿真,研究脉冲信号的宽度和锁相放大器的参数对探测结果的影响,并获得该测量过程所需的最优化参数。研究结果对太赫兹空气相干探测技术中锁相放大器的参数选取和设置有很好的理论参考价值。     

小回旋三次谐波0.52 THz回旋管

为了发展大功率高效率太赫兹辐射源,对小回旋电子注激励三次谐波太赫兹电子回旋脉塞进行了研究,分析了不同参数情况下的模式竞争.研究结果表明,采用近轴小回旋电子注能够实现三次谐波单模振荡.在此基础上设计了一只0.52 THz、TE37模三次谐波回旋管,数值计算表明,该回旋管在工作磁场为6.98 T下输出功率可以达到3.7 kW.对产生近轴小回旋电子注的高磁压缩比磁控注入式电子光学系统进行的粒子模拟研究结果表明,该电子枪能够产生满足实验要求的65 kV/2.5 A,横纵速度比为1.24,引导中心半径0.35 mm的小回旋电子注,其纵向速度离散6.6%,横向速度离散6.1%.     

0.6 THz三次谐波回旋管的研究

 太赫兹回旋管是一类基于电子回旋受激辐射机理的快波器件,同时也是目前最具发展前景的高功率太赫兹辐射源.本文根据回旋管的线性理论和自洽非线性理论对三次谐波、工作频率0.6 THz的回旋管进行了研究,重点讨论了引导中心分别为0mm的实心回旋电子注和0.315mm的空心回旋电子注的模式竞争.通过分析比较,发现工作在0.6THz 、三次谐波的众多模式中TE37模是一比较理想的工作模式,它不仅有相对较高的功率输出,而且还有相对较少的模式竞争.本文中的设计采用55kV/1.0A,电子注的速度横纵比为1.5,在工作磁场7.86T下,数值计算结果表明输出功率达4.73kW.     

GaAs参量振荡产生太赫兹波的腔相位匹配研究

基于腔相位匹配的方法,研究了GaAs微片状晶体构成的光学微腔光参量振荡产生太赫兹波的条件与参数设计.计算了腔相位匹配下GaAs晶体的最优化腔长,通过调节GaAs晶体的温度研究了太赫兹波的输出情况,模拟了不同波长下最低的能量阈值.结果表明,在完全相位匹配很难实现的情况下,采用腔相位匹配能很容易地实现大范围的太赫兹波调谐输出.结果为小型化光学太赫兹源的实验与理论研究提供了参考.     

三色激光脉冲诱导液体介质产生太赫兹波的仿真研究

研发大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的太赫兹辐射源是太赫兹技术领域迫切需要解决的实际问题。基于瞬态光电流模型，采用数值仿真方法研究了三色激光脉冲诱导液体介质产生太赫兹波的物理过程，分析了相位差、强度比、波长以及脉宽对太赫兹辐射的影响。仿真结果表明：二次谐波和三次谐波相对于基波的相位差、强度比、波长、脉宽等都对太赫兹电场有明显的影响。同时，只有电离率随着激光电场振荡变化的隧穿电离机制才能产生瞬态光电流，从而得到太赫兹辐射。     

外尔半金属TaAs中太赫兹电场诱导的二次谐波产生

使用强场太赫兹泵浦二次谐波产生探测、研究外尔半金属TaAs中的三阶非线性响应过程。当泵浦太赫兹电场沿着TaAs (112)晶面的不同晶向时，强场太赫兹诱导的光学二次谐波信号展现出了不同的响应，这可以用泵浦太赫兹电场引入的三阶非线性极化来定量地解释，其中较大的zzzz分量可能起着重要的作用。     

太赫兹波光学参量效应放大特性的理论研究

针对太赫兹波光学参量效应中增益介质对太赫兹波强烈吸收的特点,提出光学参量效应中泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线相互作用可以有效放大太赫兹波。以周期极化铌酸锂晶体为例,通过解耦合波方程,在不同的近似条件下分析了前向和后向太赫兹波的放大特性。计算结果表明,在太赫兹波吸收系数远大于太赫兹波增益系数的条件下,泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线作用可以有效提高太赫兹波功率。分析结果对周期极化铌酸锂晶体光学参量振荡产生太赫兹波的实验研究提供深入和全面的理论基础。     

0.12THz谐波混频器的设计与研究

在太赫兹通信、雷达、电子对抗、测量等系统中,所遇到的首要问题便是太赫兹波信号的频率变换,谐波混频器是太赫兹通信系统中最为核心的器件,其性能的好坏将直接决定接收系统和发射系统的性能,本文对0.12THz的二次谐波混频器进行理论分析,在理论分析的基础上对该混频器进行设计仿真,理论仿真结果表明0.12THz的二次谐波混频器的损耗小于8dB,并对于优化后的模型在RT/duroid 5880为电路基片上进行加工测试,测试结果表明本文设计的0.12THz二次谐波混频器衰减为7dB,已经达到了国际先进水平。     

基于液体对太赫兹脉冲进行高灵敏探测

由于液体（尤其是液态水）对太赫兹波的强吸收,以液体为介质的太赫兹波产生和探测长期以来被认为是无法实现的。本文综述了基于液体的太赫兹相干探测方法,此方法能在更低的探测激光能量下实现更高的探测灵敏度,可以解决目前基于固体和空气的探测方法遇到的探测频带受限、探测激光能量过高的问题。该探测方法的工作机理被归结为飞秒激光与太赫兹波在液体等离子体中的四波混频过程,因此太赫兹波与探测激光、产生的二次谐波间的场强、偏振具有简单的依赖关系,这使得此方法具有良好的稳定性,并可用于太赫兹波偏振敏感光谱的检测。液态水对太赫兹波的强吸收限制了检测灵敏度的进一步提高,可以利用其他液体或溶液替代纯水来降低太赫兹波的吸收,提高探测灵敏度,这对于该探测方法的进一步推广具有重要意义。     

Influence of Reflections on Frequency Tunability and Mode Competition in the Second-Harmonic THz Gyrotron

Effect of delayed reflection on operation of a second-harmonic terahertz (THz)-band gyrotron is studied. Theoretical analyses, numerical calculations, and experimental observations for the 0.394-THz Fukui University (FU) and continuous wave (CW) IIB gyrotron are presented. The reflections decrease starting current and expand frequency tunability range owing to excitation of high-order axial modes. They also increase frequency stability, i.e., reduce frequency change due to variation of the magnetic field. In addition, the reflections strongly affect mode competition causing suppress of the second-harmonic mode by the fundamental one and vice versa or, in the case of cooperative mode interaction, mutual power increase.     

大功率太赫兹回旋管的腔体分析与模拟

以0.3 THz回旋管为研究对象,对 TE06模回旋管腔体进行理论分析和起振电流的计算,以避免模式竞争的出现。对选取的电参数进行粒子模拟仿真,在10 kV和300 mA条件下得到 TE06模输出、平均输出功率为152 W及输出频率为299.5 GHz的模拟结果,并对不同磁场和不同电流情况下输出功率进行了分析,为太赫兹回旋管的研制提供参考。     

THE FIRST EXPERIMENT OF A THz GYROTRON WITH A PULSE MAGNET

A THz gyrotron with a pulse magnet has been designed, constructed and operated in FIR FU. It is developed as one of high frequency gyrotrons included in Gyrotron FU Series. The gyrotron has already achieved the first experimental result for high frequency operations whose radiation frequency exceeds 1 THz. In this paper, the design detail and the operation test results for sub-terahertz to terahertz range are described. The second harmonic operation is confirmed experimentally at the expected frequency of 1.005 THz due to TE_6,11 cavity mode at the magnetic field intensity of 19.0 T.     

Terahertz Gyrotrons at IAP RAS: Status and New Designs

Powerful gyrotrons with radiation frequencies in the range 0.33–0.65 THz were demonstrated at the IAP as early as in the 1970–1980s. This trend has recently been renewed in connection with a significant increase in interest in terahertz frequency range. In the course of new experiments, the radiation frequency of pulsed gyrotrons was increased up to 1.3 THz and 1 THz at the fundamental and third cyclotron harmonics, respectively. In addition, gyrotrons operated in CW regime with a frequency of 0.3 THz for technological applications (in collaboration with the University of Fukui, Japan) and 0.26 THz for the dynamic nuclear polarization at a high-field NMR were implemented. Designs of a pulsed fundamental-harmonic gyrotron with MW-level power at 0.3 THz and a CW kW-level third-harmonic gyrotron with a frequency of 0.4 THz are currently developed. Estimates show that modern techniques for the creation of strong magnetic fields now make it possible to realize gyrotrons with an operating frequency at least up to 1–1.5 THz. Such generators utilize a relatively low particle energy and can provide higher average power than the existing FELs.     

大半径同轴谐振腔太赫兹回旋管研究

 为了发展大功率太赫兹辐射源,本文对大半径同轴谐振腔回旋管进行了理论和数值模拟研究,理论计算结果表明在同轴谐振腔中其角向对称的TE_0n模式的截止频率与n近似成正比关系,与内外导体之间的距离近似成反比关系.根据上述特点作者设计了一只大半径同轴腔0.3THz、TE₀₄模回旋管,数值计算和粒子模拟结果表明:大半径同轴谐振腔太赫兹回旋管与空心波导谐振腔回旋管相比具有很多优点:腔体尺寸相对较大,工作电流可以大幅度提高;其对称的TE_0n模式与非对称的TE_mn模式的间隔较大,有利于克服模式竞争.     

Measurement and DFT Calculation on Terahertz Spectroscopy of 4-aminobenzoic Acid

We report the measurement of the terahertz (THz) spectra of 4-aminobenzoic acid by using Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy in the 1.5–19.5 THz. Low frequency intermolecular (or phonon) modes between 0.3 and 2.4 THz were also investigated via THz time-domain spectroscopy. Structure and vibrational frequencies of the sample were calculated through density functional theory(DFT). The calculated results are in agreement with the experimental data. Moreover, we have interpreted observed vibrational frequencies using DFT. Two intermolecular or phonon modes were identified at 1.54 and 2.19 THz.     

Ka波段三段损耗波导结构二次谐波回旋行波放大器的模拟与设计

研究了一种具有多段损耗波导结构的8ram二次谐波回旋行波放大器.通过稳定性分析,确定了放大器的工 作参数,并对其注.波互作用过程进行了详细的分析和讨论,完成了工作在35GHzTE02模二次谐波三段损耗波导结构回旋行波放大器的优化设计.非线性模拟结果表明,该互作用结构能有效地抑制寄生模式,在速度零散为3%的情况下,其峰值功率为125kW、增益为39dB、3dB带宽为4.3%.     

94GHz二次谐波回旋管波纹波导模式转换

在耦合波理论的基础上,详细讨论了3mm二次谐波渐变复合腔回旋管内置TE03—TE02—TE01模式转换器,并使模式转换器兼作回旋管的收集极.采用波纹波导结构和不同的相位重匹配技术进行优化分析,得到了可靠的最优几何参量.以此结果设计出了紧凑、高效的94GH z波纹波导模式转换器,并在回旋管的热测实验中测出模式样图.