Superradiant Smith-Purcell Stråling (S-SPR) er en slags fri elektronstråling med et tog med frie elektronbunker, der passerer over et periodisk gitter. I teorien kunne Ultra-Narrow Spectral Line Width of S-SPR realiseres, hvilket ville være meget fordelagtigt for forskellige anvendelser, såsom billeddannelse, sensing og kommunikation.
I de frie elektronacceleratorer, tilpassede opsætninger og orotroner forværrede ustabiliteten af elektronkinetisk energi, coulomb -effekt og det endelige antal elektronbunker strålingslinjens bredde, og den store størrelse af udstyr begrænser applikationsscenarierne.
I et nyt papir, der er offentliggjort i Elightet team af forskere, ledet af professor Fang Liu og Yidong Huang fra Institut for Elektronisk Engineering, Tsinghua University, Kina, har udviklet den første kompakte S-SPR-enhed med ultra-narve og kontinuerligt indstillelig spektral linjevidt.
De foreslog den nye effekt af pumpeinduceret stimuleret S-SPR (PIS-SPR) og observerede med succes PIS-SPR ved hyppigheden af ~ 0,3 THz med strålingslinjebredde, der kontinuerligt er indstillet fra 900 kHz til 0,3 kHz. Enheden kan endda let holdes i den ene hånd med en størrelse på 22 cm × 7 cm × 6,5 cm og en vægt på kun 1,68 kg.
En sådan kompakt enhed med PIS-SPR-effekt inkluderer tre sektioner: elektronforbinding, elektron-komprimering og harmonisk-emission.
Forskerne opsummerer det operationelle princip for PIS-SPR og siger: “Den lavfrekvente og den lave effekt THz-pumpebølge ophidser den lokaliserede elektromagnetiske tilstand på gitteret, der forudbærer elektronstrålen. Derefter udsender disse forudbelagte elektroner SPR ved den samme frekvens som pumpebølgen.
“Med et FP-hulrum forbedres den lokaliserede elektromagnetiske tilstand og elektronforbindelsen alternativt og kontinuerligt, hvilket fører til den stimulerede S-SPR (nemlig PIS-SPR), såvel som velbinkede periodiske elektroner. Endelig ved at anvende den lille periode-gitter, de ideelle elektronbunker kunne generere høje harmoniske S-SPR.”
Med PIS-SPR-effekt forværrede de tre faktorer strålingslinjebredden, nemlig ustabilitet af elektronkinetisk energi, Coulomb-effekt og det endelige antal elektronbunker, var blevet overvundet.
De afstemte emissionsspektret linjebredde fra 900 kHz til 0,3 kHz ved at variere antallet af elektronbunker fra ~ 105 til ~ 109. Sammenlignet med tidligere rapporterede S-SPR genereret af elektronacceleratorer eller andet udstyr, kunne linjebredden skrumpes med ca. 2-6 størrelsesordener, og den spektrale linjebredde kunne indstilles kontinuerligt i området 0,3 kHz ~ 900 kHz.
Disse forskere fandt også, at enheden kan betjenes i modellen med bagudbølgeledertilstand (BWM) uden pumpebølge injiceret. Elektronbunker og tredje harmonisk S-SPR blev også observeret, men linjebredden er bredere end MHz.
“Modeudviklingen af enheden fra BWM-induceret S-SPR til PIS-SPR observeres eksperimentelt ved gradvist at øge kraften i pumpebølgen fra 0 MW til 60 MW. BWM undertrykkes gradvist med øget pumpekraft, og PIS-SPR dominerer elektronforbindelsesprocessen,” forklarer de.
“Dette arbejde giver mulighederne for ikke kun at realisere kompakte, smalle linjebredde strålingskilder i forskellige frekvensregioner, som ville fremme anvendelserne af S-SPR i forskellige felter, men også generere frekvenslåste/-tunable gratis elektronforbindelser til interaktion med forskellige materialer og mikro-/nano-strukturer.
“Og den foreslåede stimulerede effekt for at forbedre det lette felt kan også overvejes til elektron-acceleration på chip for at opnå en højere elektronaccelerationsgradient,” skriver forskerne.