[论文解读] Internal Smith-Purcell radiation and its interplay with Cherenkov diffraction radiation in silicon -- a combined time and frequency domain numerical study

Dmytro Konakhovych, Damian Śnieżek+5 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Gyrotron and Vacuum Electronics Research参考文献 27被引用 5

一句话总结

本研究提出在硅平面光栅中产生内部史密斯-珀塞尔辐射（iSPR）作为无接触带电粒子束诊断的新型机制，采用时域与频域相结合的数值方法。在禁带频谱区域，iSPR的强度远超传统的史密斯-珀塞尔辐射和契伦科夫衍射辐射（CDR），具有更高的信号强度，并可直接耦合至片上波导或光纤，对于优化结构，在308 THz时iSPR的峰值强度比CDR高出4倍。

ABSTRACT

We consider radiation generated by an electron travelling parallel to a planar rectangular silicon grating: Smith-Purcell radiation to the vacuum side, internal Smith-Purcell radiation into the dielectric, and Cherenkov radiation into the dielectric. Internal Smith-Purcell radiation dominates over the other two radiation mechanisms in the range where conventional Smith-Purcell radiation is forbidden. This observation may lead to improved design of contactless particle beam monitors.

研究动机与目标

• 研究介质平面硅光栅中内部史密斯-珀塞尔辐射（iSPR）的存在性及其特性。
• 分析单一介质结构中iSPR与契伦科夫衍射辐射（CDR）之间的相互作用。
• 评估iSPR作为传统真空SPR和CDR在非侵入式束流诊断中的可行替代方案。
• 确定可最大化iSPR信号同时最小化损耗的最优光栅几何结构。

提出的方法

• 使用CST Studio Suite中的PIC求解器进行三维时域仿真，以模拟电子-光栅相互作用。
• 辅以Comsol Multiphysics中的二维频域仿真，计算光谱辐射分布。
• 应用惠更斯原理和相位匹配条件，利用公式(1)推导iSPR的波长-角度关系：1/β − n cosθ = mλ₀/a。
• 在λ₀ = 609 nm时，硅的折射率n = 3.91，对应法向入射的一级iSPR。
• 改变关键参数，如光栅周期（a = 200 nm）、占空比（F = 0.5或1）、齿高（h）和入射参数（d），以研究其影响。
• 将iSPR与CDR的强度与平面板结构的常规SPR和CDR进行对比，以分离出光栅增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在平面硅光栅中高效激发内部史密斯-珀塞尔辐射（iSPR），其光谱强度与传统SPR和CDR相比如何？
• RQ2 周期性光栅的存在是否增强了向内辐射（iSPR和CDR）的强度，特别是在传统SPR被禁止的光谱区域？
• RQ3 入射参数（d）如何影响iSPR和CDR的强度与光谱形状？
• RQ4 光栅几何结构（如齿高h）能否被优化以最大化iSPR信号，同时保持与片上光子集成的兼容性？
• RQ5 由于更高的信号强度和可直接耦合至光纤或波导，iSPR是否比CDR更适合用于束流诊断？

主要发现

• 在传统SPR被禁止的光谱区域，iSPR的强度超过传统真空SPR和CDR，特别是在308 THz附近。
• 在308 THz时，光栅产生的iSPR和CDR信号强度比平面硅板的CDR高出4倍。
• 将入射参数d从200 nm降低至20 nm，使向内辐射的iSPR和CDR能量增加约三个数量级。
• iSPR和CDR的光谱形状对d高度敏感，可潜在用于束流位置监测。
• iSPR的最佳光栅高度h与传统SPR不同，表明基于iSPR的探测器具有不同的设计要求。
• 由于iSPR发射进入介质，可高效耦合至光纤或集成光子电路，为片上束流传感提供了直接路径。