對雙光柵繞射輻射器件諧振系統的模式競爭特性進行了分析，研究了工作模式的主要競爭模式及其抑制措施。結果表明，雙光柵繞射輻射器件工作模式的主要競爭模式為滿足開放邊界條件的光柵表面慢波模式，而減小電子通道寬度以及合理選擇帶狀電子注的高度能夠有效抑制競爭模式的振蕩。

　　電磁波譜中，波長為3 mm ～ 30 μm( 頻率0. 1 ～10 THz) 的電磁波，通常稱之為太赫茲( THz) 波。THz 波具有光子能量低、穿透能力強、頻譜極寬等顯著優點，因此在物體成像、環境監測、醫療診斷、寬帶移動通訊、衛星通信和軍用雷達等方面具有重大的科學價值和廣闊的應用前景。當前，缺乏有效THz 源成為太赫茲波應用研究的一大瓶頸。奧羅管( Orotron) 因其結構緊湊、工作電壓低等特點特別適用于作為THz 源，但其效率較低，注-波互作用弱是需要解決的主要問題。雙光柵式繞射輻射振蕩器與奧羅管高頻結構皆由繞射光柵與開放光學諧振腔組成，但與傳統的奧羅管不同的是，雙光柵繞射輻射器件中采用兩片光柵對置，且光柵放置垂直于開放腔反射鏡面，當電子從兩片光柵之間通過時，與兩片光柵表面產生的Smith-Purcell 輻射( S-P 輻射) 波同時作用，形成穩定的振蕩輸出。雙光柵繞射輻射器件與奧羅管相比，其帶狀電子注能夠與兩片光柵附近的慢波場同時進行注-波互作用，從而有效改善奧羅管結構中由于電子注的不均勻性導致的效率降低的缺點。同時，對雙光柵繞射輻射器件，由于雙光柵結構位于諧振槽內，光柵表面的電場強度得到了明顯增強，器件效率有望得到進一步提高，因此雙光柵繞射輻射器件是一種極有發展前景的緊湊型THz源。一般而言，在諧振結構內部可能存在多個模式，當某個模式的起振條件最先達到時，該模式將在諧振結構內占據主導地位，同時壓制其他模式的振蕩，這就是模式競爭。對雙光柵繞射輻射器件，只有TEM00q + TM110模式是所需要的工作模式，因此如何保證諧振系統中能夠抑制主要競爭模式，從而保持TEM00q + TM110模式的單模工作狀態是雙光柵繞射輻射器件設計中需要考慮的主要問題。

1、競爭模式分析

　　由于雙光柵本身可以視為一種慢波結構，當電子注從光柵表面掃過時，不僅激勵出Smith-Purcell輻射，同時也將在光柵表面激勵產生慢電磁波。圖1 為雙光柵繞射輻射器件的結構示意圖，模擬采用的雙光柵繞射輻射器件高頻結構的結構參數見表1，這里將球柱開放腔與雙光柵結構的交界面定義為y = 0 平面。

圖1 雙光柵繞射輻射器件結構示意圖

　　模擬得到的光柵表面慢波的場分布如圖2( a)所示。這里需要特別指出的是，由于雙光柵的上表面是開放的，因此其場分布與傳統的雙光柵慢波結構中的電磁場分布存在較大差異。圖2( b) 是傳統的雙光柵慢波結構內部的電磁場分布，可以看到，雙光柵繞射輻射器件內的慢波場主要集中在開放區域附近，在光柵的下端，電場場強的衰減非常明顯。

表1 結構參數值

　　圖3 是雙光柵繞射輻射器件內光柵表面慢波的色散曲線，將設計采用的工作電壓與工作模式的頻率-相位關系也一并繪于圖3 中。從圖3 可以看出，工作電壓與慢波的色散曲線和工作模式都存在交點，因此工作模式與慢波存在模式競爭。

　　為了分析工作模式和慢波的模式競爭情況，需要首先對不同模式下的場分布以及互作用電場強度進行分析。圖4 為工作模式以及表面慢波模式下整個諧振結構的電場分布圖，在表面慢波模式下，電場主要集中在光柵附近，開放腔中的電場強度很小，此時能量難以從開放腔內耦合出去，因此表面慢波模式對器件的正常工作沒有任何貢獻，反而可能影響諧振系統的單模工作狀態，造成器件工作的不穩定。

　　根據電磁場原理，與同步電子互作用的場強越強，互作用的效果越明顯。如果表面慢波模式下電子通道內的Z 向電場強度大于工作模式下的Z 向電場強度，則表面慢波模式有可能先于工作模式起振。圖5 為在表1 所示的結構參數下電子通道區域表面慢波模式以及工作模式下的電場強度值，首先設定兩個觀測平面y1和y2，其中y1 = - 0.67 mm，選擇該平面是為了研究球柱開放腔與雙光柵交界附近電場強度分布，而選擇y2 = - hg /2 則是為了確定光柵中心區域的電場分布。在y1和y2兩個平面處考察不同模式下電場強度的變化情況，在y1平面處，表面慢波強度要明顯大于工作模式下的情況，該區域內的同步電子注將首先激勵表面慢波模式，而在y2平面處，工作模式的電場強度則要強于表面慢波，該現象已在前文中進行了描述，這是由于開放結構下的表面場分布狀態決定的。需要注意的是，雖然在y2平面處工作模式的電場強度較強，但該強度與表面慢波的強度相差并不明顯，因此表面慢波場仍有起振的可能性。

圖2 不同模式下的光柵表面慢波場

3、結論

　　雙光柵繞射輻射器件高頻系統內的模式競爭是影響器件工作狀態的一個重要原因，其中對工作模式影響最大的是光柵的表面慢波場。由于雙光柵繞射輻射器件高頻系統中光柵在+ Y 向是開放的，因此其表面慢波場與傳統的雙光柵表面慢波場分布存在較大差異，表現為該慢波場主要集中在開放區域附近。研究發現，增大光柵高度并不能有效降低表面慢波電場場強，因此采用該方法無法抑制表面慢波振蕩。減小電子通道寬度則不僅增大了工作模式下電場強度的平均值，也能夠減小表面慢波電場對諧振結構的影響，合理選擇電子通道寬度是解決雙光柵繞射輻射器件高頻系統模式競爭的一個重要方法。帶狀電子注的高度對該類器件高頻系統的模式競爭也有較大影響，當電子注高度與光柵高度之比小于0. 68 時，可以保證電子注-波互作用受表面慢波電場影響較小，從而減小表面慢波振蕩的可能性。模擬結果表明，通過對電子通道寬度以及電子注高度的優化，雙光柵繞射輻射器件表面慢波場起振現象得到了較好的抑制。