电子注激励石墨烯表面等离子体波产生渡越辐射的研究

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太赫兹波的特性对天文学、雷达、通信(宽带通信)、电磁武器、电子对抗、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、安全检查(生化物检查)和无损检测等领域产生了深远影响。有基于光学、电子学或者非线性差频等方法产生太赫兹辐射者,但它们各有优势和劣势并且都遇到了各自的困难。不过人们很快试图使用光学和电子学相结合的方法解决太赫兹源遇到的难题。本文利用电子注激励石墨烯表面等离子体波产生渡越辐射来得到太赫兹波的方式使用的便是该综合性方法。虽然该方法目前输出功率还不高,但其结构简单易于实现,并且所用材料中的石墨烯电导率可经改变偏置电压和掺杂等手段来调节,同时该太赫兹源结构中所用介质的介电常数也是可以根据需要来改变或调节的,从而为发展具有实用且可简易调控等优点的太赫兹源提供了一种潜在的高可用的可行方案。石墨烯不仅能被诸如电磁波、光子和电子束等这些激发源激励出处于太赫兹波段的表面等离子体波,而且其在太赫兹波段、红外波段呈现出与贵金属(金、银)类似的电磁特性,并能支持表面等离子体波的传输。表面等离子体波是在金属或具有金属类似电导率特性的材料交界面区域附近的由自由电子和光子相互作用(集体振荡)所形成的一种慢波。基于以上事实,本文根据电子注、石墨烯、表面等离子体波和渡越辐射的特点,紧扣论题建立了电子注激励石墨烯表面等离子体波产生渡越辐射的激励模型,然后根据基本物理原理对模型进行宏观分析,并按照论题要求和物理规律适用范围对模型进行合理简化和近似,从而得到简化后的激励模型。在简化模型的基础上分解模型的各个组成部分:电子注、石墨烯、介质层及其界面。然后分别对这些部分进行物理分析:借助麦克斯韦方程组得到电子注自身场表达式;利用石墨烯特性引入石墨烯位移电流表达式;根据介质界面引入边界条件,串联其各个组成部分,最后得到辐射场的表达式和辐射光谱角分布表达式。然后利用MATLAB数值计算工具经编程绘制出与表达式中各个变量特殊离散值相对应的场分布图,并且给出对比分析和适当的物理解释,同时绘制场幅值与各个变量(连续值)的关系曲线。最后绘制光谱角分布图并分析其中的敏感因素。从而总结出对太赫兹源性能有利的参数调节机制。为今后研制类似的太赫兹源提供理论参考。
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