基于超高Q值微腔的Smith-Purcell辐射物理特性研究

作     者：王紫嫣 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：傅涛

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：连续域束缚态 Smith-Purcell辐射 光子晶体 多极子散射功率 拓扑荷 超表面 Fano共振 

摘      要：谐振腔也叫共振腔,能够将电磁场局域在很小的范围内,并且使电磁场在腔体内持续振荡,具有高的品质因数以及光场能量密度高等特点。形成腔体的结构常见有回音壁模式微腔、经典Fabry-Perot腔和光子晶体微腔等。本论文通过对各种腔体结构本征模式的分析和拓扑电荷的计算,以及通过对透射谱中谐振的分析与拟合、结构近场模式的分析和多极子散射功率的计算方式,验证了在腔体结构中实现的连续域束缚态（Bound states in the continuum,BICs）,并利用腔体结构的准BIC频点实现了超高辐射功率的Smith-Purcell辐射（SP辐射）。本论文的研究内容如下:首先,基于光子晶体计算了二维光子晶体结构的能带结构,并对其呈现的光谱特性进行了分析。探究了结构参数、晶格周期和材料属性对光子晶体的禁带的影响。设计了能够实现连续域束缚态且频点位于光锥内的三角晶格平板光子晶体,并通过对结构本征模式分析和拓扑电荷计算等对其进行综合验证。其次,提出了能够实现连续域束缚态的全介质超表面结构和金属超表面结构,通过对结构本征模式分析以及拓扑电荷计算,验证了连续域束缚态的存在。并且通过对结构对称性的破坏实现了准BIC,跟踪准BIC在透射谱中谐振曲线的变化实现对BIC的观察。通过对结构的品质因数的计算、结构的近场模式的分析和多极子散射功率的计算综合解释了透射谱中谐振产生的物理机理。通过Fano公式和耦合模理论对仿真结果进行数值拟合,并结合拟合参数共同解释了谐振线形的变化原因,揭示了理想BIC与准BIC的转变的机理。最后,基于本文提出的和涉及到的微腔结构,利用其连续域中的束缚态性质和小模体积内具有的超高品质因数的性质,实现了在特定电子束速度下的SP定向辐射和高功率辐射。对于光子晶体腔体结构,利用其周期改变而谐振频点不变的特点,以及准BIC特性,实现了SP辐射角度的可调范围在57°以及获得了600 W/m左右的辐射功率密度。对于全介质超表面结构和金属超表面结构分别在太赫兹频段和8 GHz～9 GHz频段实现了定向辐射,获得了1600 W/m左右的辐射功率密度。