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研究生: 張雅傑
Chang, Ya-Chieh
論文名稱: 中空金屬圓柱內側電子束激發表面電漿子調控螺旋光柵Smith-Purcell輻射研究
Manipulation of Smith-Purcell radiation on helical gratings by electron bunch excited surface plasmons inside hollow metal cylinder
指導教授: 藍永強
Lan, Yung-Chiang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Photonics
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 表面電漿Smith-Purcell輻射電子束螺旋光柵中空圓柱軌道角動量
外文關鍵詞: Smith-Purcell radiation, Surface plasmon, hollow metal cylinder, electron bunch, helical grating, orbital angular momentum
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  • 當電子束通過週期性金屬結構時,會激發Smith-Purcell輻射(SPR),而我們稱這些週期性金屬結構為光柵(Gratings),輻射出去的角度會與光柵週期以及電子束速度有關,當然輻射的強度與角度還可以經由其他外在條件來改變,本論文針對光柵週期以及電子束速度來做討論。Smith-Purcell輻射與表面電漿不同之處在於表面電漿只能存在於金屬表面上,而Smith-Purcell卻可以在空間中傳播,因此我們可以將Smith-Purcell輻射應用在軍事用途、生物醫療等諸多領域上面,但目前Smith-Purcell輻射遇到最大的瓶頸在於輻射功率太小,所以我們需要找到能實際應用且提高功率的輻射機制。
    本篇論文使用有限時域差分法(FDTD)的軟體:Lumerical來探討如何激發與調控Smith-Purcell輻射,由於使用的結構為中空圓柱結構內通以電子束,形成的IMI結構會產生對稱以及反對稱模態,本實驗會找出哪個模態的波長可以激發Smith-Purcell輻射。透過改變電子束的運動速度以及光柵週期可以調控Smith-Purcell輻射角度。最後再透過螺旋光柵來產生軌道角動量,並且測量輻射能量與電子束能量的比值,觀察其與軌道角動量之關係。

    In this paper, an electron bunch was used to excite the surface plasmon(SP) inside the hollow metal cylinder, this structure can produce symmetry and antisymmetry modes. We are going to figure out which wavelength of surface plasmon resonation can be turn into Smith-Purcell radiation.We designed periodic gratings outside the hollow metal cylinder to convert surface plasmon into Smith-Purcell radiation.By changing the period of gratings and the speed of electron bunch so that we could control the angle of radiation.Then we used helical periodic gratings to replace the original periodic gratings. The helical periodic gratings could radiate the orbital angular momentum beam. Similar to the original periodic grating, we could also control the angle of radiation by changing the period of gratings and speed of electron bunch.

    口試合格證明 I 中文摘要 II 英文摘要 III 致謝 XII 目錄 XIII 圖目錄 XV 第一章 簡介 1 1-1 金屬表面電漿(Surface Plasmon)簡介 2 1-2 Smith-Purcell簡介 2 1-3 光的軌道角動量(Orbital angular momentum)簡介 5 1-4 論文動機 7 第二章 表面電漿的特性 8 2-1 表面電漿(Surface plasmon)介紹 8 2-2 金屬Drude Model 10 2-3 金屬-介電質(IM)色散曲線 15 2-4 介電質-金屬-介電質(IMI)色散曲線 18 2-5 表面電漿激發方式 24 2-5-1 表面電漿共振(SPR) 25 2-5-2 電子束激發[10] 26 2-5-3 光柵耦合(Grating Coupler) 28 第三章 模擬方法-有限時域差分法(FDTD) 31 3-1 馬克斯威爾方程式(Maxwell’s Equations) 32 3-2 FDTD基本運算原理 34 3-3 FDTD的數值穩定 38 3-4 完美匹配層(Perfect Matched Layer,PML) 40 3-5 模擬軟體-Lumerical簡介 44 第四章 表面電漿與Smith-Purcell輻射研究 48 4-1 模擬結構與參數設定 48 4-2 電子束激發Smith-Purcell輻射 54 4-3 調控Smith-Purcell輻射 59 4-3-1 調整電子束速度對Smith-Purcell輻射角度的影響 59 4-3-2 調整光柵週期對Smith-Purcell輻射角度的影響 61 4-4 週期性螺旋光柵所激發之Smith-Purcell輻射 63 4-5 軌道角動量功率轉換效率 76 第五章 結論 78 參考文獻 79

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    下載圖示 校內:2023-07-22公開
    校外:2023-07-22公開
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