一种基于场发射电子的太赫兹激光二极管

技术领域

本发明涉及一种基于场发射电子的太赫兹激光二极管，属于电磁场和真空电子学技术领域。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz之间的电磁波，是电磁波谱中迄今唯一尚未被完全开发的波段。因其在生命科学、材料科学、通信技术以及国家安全等多个领域具有广阔的应用前景受到国内外科学家的普遍关注，太赫兹科学与技术作为一门新兴的学科正在逐步成型。太赫兹源的发展是太赫兹科学技术发展的基础，也是当前制约太赫兹科学技术发展的主要瓶颈。

发展小型化、大功率、宽调谐的太赫兹源一直是各国科学家努力为之奋斗的目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于场发射电子的太赫兹激光二极管，具有小型化、大功率、宽调谐的特点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于场发射电子的太赫兹激光二极管，包括彼此面对的阳极板和阴极板，设置于阳极板和阴极板之间的介质层环；

所述阳极板和阴极板平行设置，且阳极板的长度等于阴极板的长度，阳极板的宽度等于阴极板的宽度，介质层环的外侧面与阳极板的侧面对齐，介质层环的外侧面与阴极板的侧面对齐，所述介质层环的其中一个表面与阳极板的第一表面相接触，阳极板的第一表面为阳极板上与阴极板相对的那一面，介质层环的另一个表面与阴极板的第一表面相接触，阴极板的第一表面为阴极板上与阳极板相对的那一面，阳极板、阴极板和介质层环共同形成一个密封腔，所述阴极板为场发射阵列或者阴极板为平板且平板上与阳极板相对的那一面涂覆有场发射材料，阴极板的宽度大于阳极板与阴极板之间间距的20倍以上。

作为本发明的一种优选方案，所述阳极板的长度和宽度不等或者阳极板的长度和宽度相等。

作为本发明的一种优选方案，所述阴极板发射电流密度满足以下公式：

其中，J表示阴极板发射电流密度，E表示阴极板表面电场，a和b均为场发射参数。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出了一种基于场发射电子的太赫兹激光二极管，其阴极板采用场发射阵列或在平板上涂覆场发射材料，同时阴极板和阳极板间的距离远远小于阴极板和阳极板的横向尺寸，极板的边长大于间距的20倍以上。通过调节二极管的偏置电压，即可改变高频场的工作频率，从而得到频率的可调的太赫兹电磁波输出。

附图说明

图1是本发明基于场发射电子的太赫兹激光二极管的三维示意图。

图2是本发明基于场发射电子的太赫兹激光二极管的二维示意图。

图3是本发明实施例仿真得到二极管中的高频电场时域图。

图4是本发明实施例仿真得到二极管中的高频电场频谱图。

图5是二极管中的高频电场频率随阴极到阳极间距和偏置电压的变化关系。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供一种利用场发射阴极的电子学二极管，其原理图如图1所示，它与普通二极管的区别是，它们的阴极是场发射材料，可以是用场发射阵列(如图1所示)，也可以是平板上涂覆场发射材料。阳极板是与阴极板平行的平板，它的特点是阴极和阳极间的距离远远小于阴极板和阳极板的横向尺寸，极板的边长大于间距的20倍以上。如图2所示，极板的四周为介质层，即两块极板中间两侧的阴影部分为介质层。

发明的工作原理可以描述为：二极管中首先将激励起静态电场，该静态电场作用在场发射阴极表面，使其发射自由电子，该自由电子在静态场的作用下不断加速到达阳极。电子将在阴极和阳极之间激励起太赫兹频率的高频电磁振，这些高频场反过来影响阴极的电子发射，使得阴极发射电子得到调制，调制的电子再进一步与高频场相互作用，把电子动能转化为高频场，使得高频场得到不断增大。通过调节二极管的偏置电压，即可改变高频场的工作频率，从而得到频率的可调的太赫兹电磁波输出。

下面以一实施例进行说明。

阴极发射面是边长为400微米的正方形，阳极也是边长为400微米的正方形导体板，阴极到阳极的距离是10微米，二极管偏置电压1千伏，介质片介电常数3.8，阴极发射电流密度满足公式：

其中，E为阴极表面电场，a和b为场发射参数，在本实施例中，a＝5.6×10

图3为仿真得到二极管中的高频电场时域图，从图中可以看到二极管中激励了稳定的高频场。图4为仿真得到二极管中的高频电场频谱图，从图中可以看到二极管频率约0.74太赫兹。图5为仿真得到二极管中的高频电场频率随阴极到阳极间距和偏置电压的变化关系，从图中可以看到当间距和偏置电压变化时，二极管工作频率随之变化，也就是说实现了输出频率的可调谐。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。