專利名稱：用于高效產(chǎn)生光輻射的光學磁控管,以及1/2λ引發(fā)的磁控管振蕩模式工作的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及光源，更準確地說涉及一種光學磁控管形式的高效光源。
微波磁控管采用恒定磁場以產(chǎn)生旋轉電子空間電荷?？臻g電荷與多個微波諧振腔相互作用而產(chǎn)生微波輻射。迄今為止，一般磁控管的最大工作頻率限于大約100千兆赫(Ghz)以下。以前之所以沒有考慮更高頻率的工作實際上可能存在多種原因。例如，為了使磁控管具有非常小的尺寸將要求極高的磁場。另外，非常小的微波諧振器的制造是相當困難的。這些問題在以前使得更高頻率磁控管的制造成為不必要和不實際的。
鑒于前面提到的與傳統(tǒng)微波磁控管相關的缺點，強烈需要工作頻率超過100千兆赫的適合實際應用的磁控管(即光學磁控管)。例如，在本領域中強烈需要一種與傳統(tǒng)類型光源(例如白熾燈、熒光燈、激光器等)相比能夠產(chǎn)生以更高效率產(chǎn)生光的光源。這種光源將應用于包括，但不限于，光通信，商業(yè)和工業(yè)照明，制造業(yè)等在內(nèi)的多種應用中。
本發(fā)明的光學磁控管的優(yōu)點在于它不需要極高的磁場。相反，此光學磁控管優(yōu)選使用具有更高諧振強度的磁場，最好是從永久磁鐵得到的磁場。磁場強度決定了陰極與陽極之間相互作用區(qū)域(在此也稱之為陽極-陰極空間)內(nèi)電子空間電荷的旋轉半徑。陽極包括多個小的諧振腔，根據(jù)所需要的工作波長設定諧振腔的尺寸。提供一種方法以便強制多個諧振腔工作在所謂的磁控管振蕩方式。特別是迫使每個諧振腔與其緊鄰的諧振腔產(chǎn)生異相的磁控管震蕩pi-半徑。設置輸出耦合器或耦合器陣列而將光輻射從諧振腔中耦合出來，以便輸送有用的輸出功率。
本發(fā)明還提供若干用于制造這種光學磁控管的適合的方法。這些方法包括沿限定陽極-陰極空間的陽極的壁產(chǎn)生非常大量的諧振腔。例如使用各種半導體器件生產(chǎn)過程中通常所使用的光刻和/或微加工技術來形成諧振腔。給定的陽極可以包括數(shù)萬、數(shù)十萬或者甚至數(shù)百萬個基于這些技術的諧振腔。通過迫使諧振腔以磁控管振蕩方式震蕩，與傳統(tǒng)磁控管相比可能提高功率級和效率。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種光學磁控管。該光學磁控管使用多個諧振腔將電能轉換成光輻射。
根據(jù)本發(fā)明的一個特定方面，提供一種光學磁控管。該光學磁控管包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極和陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間中提供通常垂直于該電場的直流磁場；以及多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；其中該諧振腔中的每一個均被設計成在波長λ近似為10微米或更小的頻率處諧振。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種光學磁控管，該光學磁控管包括一具有半徑rc的圓柱形陰極；一具有半徑ra的環(huán)形陽極，該陽極與該陰極共軸對齊以便限定一具有寬度wa＝ra-rc的陽極-陰極空間；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以便在陽極-陰極空間內(nèi)提供通常垂直于該電場的直流磁場；以及多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；其中將每個諧振腔設計成在具有波長λ的頻率處諧振，并且陽極表面的周長2πra大于λ。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，一種光學磁控管包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間中提供通常垂直于該電場的直流磁場；以及一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面形成的N個諧振腔的高密度陣列，N個諧振腔中的每一個均具有一開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；其中N為大于1000的整數(shù)。
按照本發(fā)明的另一個方面，一種磁控管包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)提供通常垂直于該電場的直流磁場；多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；一環(huán)繞陽極外圓周的公共諧振器，多個諧振腔中的至少某些諧振腔被耦合到該公共諧振器，以引發(fā)磁控管振蕩模式工作。
根據(jù)本發(fā)明又一個方面，提供的一種磁控管，其包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置在陽極的相對端的一對磁鐵，以在陽極-陰極空間中形成通常垂直于該電場的直流磁場；以及多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；其中該陽極包括至少一個上陽極和一個下陽極，將上陽極的諧振腔中的每一個設計成在具有第一波長的頻率處諧振，并且將下陽極的諧振腔中的每一個設計成在具有不同于第一波長的第二波長的頻率處諧振。
按照另一個方面，提供一種形成用于光學磁控管的陽極的方法。該方法包括在由第一種材料制成的圓柱形芯的外表面周圍形成一光刻膠層的步驟；圖案化并蝕刻該光刻膠層以便形成多個從圓柱形芯的外表面徑向延伸以限定多個槽的葉片的步驟；使用不同于光刻膠和第一種材料的第二種材料涂覆圓柱形芯和葉片的步驟；以及從鍍層上去除葉片和圓柱形芯以便產(chǎn)生具有多個槽的圓柱形陽極的步驟。
按照又一個方面，提供一種形成用于光學磁控管的陽極的方法。該方法包括形成一層擬由其制成陽極的材料的步驟；圖案化并蝕刻該層以便形成具有沿陽極內(nèi)圓周形成的多個諧振腔的圓柱形陽極的第一層的步驟；形成至少一個后續(xù)的材料層，并且重復圖案化和蝕刻步驟，以便增加陽極的垂直高度的步驟。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種磁控管，其包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極，具有用于在陽極與陰極之間施加電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭，具有所設置的至少一個磁鐵以在陽極-陰極空間內(nèi)提供磁場。該陽極包括并排設置的多個楔形物以形成一中空形狀的圓柱體，每個楔形物包括一局部限定一諧振腔的第一凹槽，該諧振腔具有一暴露在陽極-陰極空間中的開口。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；具有用于在陽極與陰極之間施加電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；以及設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)形成通常與該電場垂直的磁場。該陽極包括多個相互層疊在頂上的墊圈狀層，以便形成一其中具有陽極-陰極空間的中空狀圓柱體，并且多個層中的每一層包括沿內(nèi)徑的多個凹槽，其與多個層中其他層的凹槽對準，以沿圓柱體的軸限定多個諧振腔，每個諧振腔具有一開向陽極-陰極空間的開口。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭，設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)形成通常垂直于該電場的磁場；多個諧振腔，其中每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；以及一環(huán)繞陽極外圓周的公共諧振器，至少多個諧振腔中的某些諧振腔通過耦合端口與公共諧振器耦合，以引起磁控管振蕩模式工作，其中至少某些耦合端口相對其他耦合口引入一附加的1/2λ延遲，其中λ為該磁控管的工作波長。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種制造用于磁控管的陽極的方法。該方法包括并排地設置多個楔形物，以便形成一其中具有陽極-陰極空間的中空形圓柱體，并且在每個楔形物中形成一第一凹槽，該第一凹槽至少部分地限定一具有暴露在陽極-陰極空間中的開口的諧振腔。該方法還包括彼此在頂上形成多個墊圈狀層，以便形成一其中具有陽極-陰極空間的中空狀圓柱體，并且在多個層中的每一層中形成多個沿內(nèi)徑的凹槽，該凹槽與多個層中其他層的凹槽對準以便沿圓柱體的軸限定多個諧振腔，每個諧振腔具有一開向陽極-陰極空間的開口。
為了前述和相關目的實現(xiàn)，本發(fā)明在權利要求中包括此處充分描述并特別指出的特征。下面的描述和附圖詳細闡述了本發(fā)明的某些實施例。不過這些實施例是象征性的，可以采用多種方法實現(xiàn)本發(fā)明的原則。從本發(fā)明下面參見附圖的詳細描述中本發(fā)明的其他目的、優(yōu)點和新穎性將是顯而易見的。
圖21為根據(jù)本發(fā)明用于形成

圖19的陽極結構的偶數(shù)楔形物的側視圖；圖22和23為根據(jù)本發(fā)明用于形成圖19的陽極結構的另外奇數(shù)楔形物的側視圖；圖24為根據(jù)本發(fā)明陽極結構另一個H-平面彎曲實施例的示意性截面圖；圖25為根據(jù)本發(fā)明用于形成圖24的陽極結構的示意性楔形物的俯視圖；圖26是根據(jù)本發(fā)明用于形成圖24的陽極結構的偶數(shù)楔形物的側視圖；圖27為根據(jù)本發(fā)明用于形成圖24的陽極結構的奇數(shù)楔形物的側視圖；圖28為根據(jù)本發(fā)明的陽極結構的另一種H-平面彎曲的示意性截面圖；圖29為用于形成圖28的陽極結構的每隔一個奇數(shù)楔形物的側視圖；圖30為根據(jù)本發(fā)明的陽極結構的基于分散(dispersion-based)的實施例的示意性截面圖；圖31為根據(jù)本發(fā)明用于形成圖30的陽極結構的示例性楔形物的俯視圖；圖32和33為根據(jù)本發(fā)明用于形成圖30的陽極結構的偶數(shù)和奇數(shù)楔形物的側視圖；圖34為根據(jù)本發(fā)明的陽極結構的E-平面彎曲實施例的側視圖；圖35為根據(jù)本發(fā)明用于形成圖34的陽極結構的線性的E-平面層的俯視圖；圖36為根據(jù)本發(fā)明的圖35的線性的E-平面層的部分放大視圖；圖37為根據(jù)本發(fā)明用于形成圖34的陽極結構的彎曲的E-平面層的俯視圖；以及圖38為圖37中彎曲的E-平面層的部分放大視圖。
最佳實施例的詳細描述現(xiàn)在將參見附圖詳細描述本發(fā)明。在附圖中使用相同參數(shù)表示相同元件。
首先參見圖1，圖1表示一光通信系統(tǒng)20。根據(jù)本發(fā)明，光通信系統(tǒng)20包括一光學磁控管22。該光學磁控管22用做輸出光的高效光源，可以用于逐點光學地傳送信息。雖然此處從應用于光通信系統(tǒng)20的角度描述光學磁控管22，但應理解光學磁控管22具有多種其他應用。本發(fā)明考慮到其他和所有這些應用。
如圖1所示，光學磁控管22例如用于輸出光輻射24，如紅外、紫外或可見光范圍中的相干光。光輻射最好是其波長相當于100Ghz或更高頻率的輻射。在一個更特別的實施例中，光學磁控管22輸出其波長在大約10微米到大約0.5微米范圍內(nèi)的光輻射。根據(jù)一更加特別的實施例，光學磁控管輸出其波長在大約3.5微米至大約1.5微米范圍內(nèi)的光輻射。
光學磁控管22所產(chǎn)生的光輻射24通過調(diào)制器26，調(diào)制器26用于使用已知技術來調(diào)節(jié)輻射24。例如，調(diào)制器26可以是在被傳送的數(shù)據(jù)的基礎上由計算機控制的光快門。調(diào)制器26有選擇地透過輻射24，作為被調(diào)制的輻射28。接收裝置30接收并隨后解調(diào)該被調(diào)制的輻射28，以便獲得發(fā)送數(shù)據(jù)。
通信系統(tǒng)20還包括一電源32，用于向光學磁控管22提供工作直流電壓。正如下面將要詳細解釋的，光學磁控管22靠陰極與陽極之間所提供的直流電壓來工作。在一個示例中，工作電壓具有30千伏(kV)到50kV的量級。不過，應該理解也可能使用其他工作電壓。
現(xiàn)在參見圖2和3，所示為光學磁控管22的第一實施例。磁控管22包括一具有半徑rc的圓柱形陰極40。在陰極40的各端包括端帽41。陰極40被包圍在中空圓柱形陽極42內(nèi)，陽極42與陰極40共軸對準。陽極42具有一大于rc的內(nèi)半徑ra，以便在陰極40的外表面48與陽極42的內(nèi)表面50之間限定一相互作用區(qū)域或陽極-陰極空間44。
端子52和54分別通過絕緣體55，并與陰極40電連接以提供能量對陰極40進行加熱，并向陰極40提供一負(-)高壓。陽極42通過端子56被電連接到高壓源的正極(+)或地端子。在操作過程中，電源32(圖1)通過端子52和54向和從陰極40施加加熱絲電流。同時，電源32通過端子54和56向和從陰極40和陽極42施加直流電壓。該直流電壓產(chǎn)生一通過陽極-陰極空間44且在陰極40與陽極42之間徑向擴展的直流電場E。
光學磁控管22還包括一對設置在陽極42各端的磁鐵58和60。該磁鐵58和60被設計成在陽極-陰極空間44內(nèi)沿與電場E垂直的軸向形成一直流磁場B。如圖3所示，在陽極-陰極空間44內(nèi)磁場B指向頁面內(nèi)。在示例中的磁鐵58和60是永久磁鐵，產(chǎn)生例如2千高斯量級的磁場B。我們知道可以使用其他裝置(例如電磁鐵)來產(chǎn)生磁場。不過，例如在需要光學磁控管22提供某種程度的便攜性的情形中一個或多個永久磁鐵58和60尤為可取。
相交的磁場B和電場E影響從陰極40發(fā)射的電子，使電子在通過陽極-陰極空間44時沿曲線路徑運動。在足夠大直流磁場B的作用下，電子將不會到達陽極42，而是返回到陰極40。
如下面關于圖4a-4c的更加詳細的描述，例如陽極42的內(nèi)表面50包括多個沿圓周分布的諧振腔。在一最佳實施例中，由沿軸方向延伸的偶數(shù)個等間隔槽形成諧振腔。由于從陰極40發(fā)射的電子在通過陽極-陰極空間44時遵循前面提到的彎曲路徑，并緊鄰這些諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場。更特別地，從陰極40發(fā)射的電子形成旋轉電子云，并鄰緊諧振腔通過。電子云在諧振腔中激發(fā)出電磁場，導致諧振腔振蕩或“跳動”。這些持續(xù)的振蕩場反過來對通過的電子加速或減速，導致電子云聚集，并形成電荷的旋轉輻(rotating spoke)。
通常已知這種包括陰極、陽極、相交電場和磁場，以及諧振腔的操作與工作在低于100Ghz頻率的傳統(tǒng)磁控管相關。不過，如上面所提到的，在過去由于多種原因未能實現(xiàn)更高頻率的工作。本發(fā)明通過提供工作在高于100Ghz頻率處的實用裝置而克服這種缺點。與傳統(tǒng)磁控管不同，本發(fā)明不限于很少數(shù)量的產(chǎn)生所需輸出輻射的諧振腔。而且，本發(fā)明不限于在裝置內(nèi)要求極高磁場和功率密度的非常小的裝置。
更特別地，光學磁控管22在陽極42內(nèi)包括相當大數(shù)量的諧振腔。最好使用諸如光刻、顯微加工、電子束光刻、活性離子刻蝕等高精度技術形成這些諧振腔，下面將要進行更完全地描述。磁控管22具有與工作波長λ相比相對較大的陽極42，使得內(nèi)陽極表面50的等于2πra的周長實質(zhì)上大于工作波長λ。結果產(chǎn)生一種光學磁控管22，使得該磁控管在一定意義上例如在不要求極高磁場和能夠與微波段中所使用的傳統(tǒng)磁控管具有相同尺寸的意義上均是切實可行的。
在圖2的示例中，每隔一個諧振腔包括一耦合端口64，用于將能量從各個諧振腔耦合到公共諧振腔66。耦合端口64由通過陽極42的壁所設置的孔或槽形成。諧振腔66圍繞陽極42的外圓周形成，由陽極42的外表面68和在諧振腔結構72中形成的腔限定壁70確定。如圖2和3所示，諧振腔結構72形成安裝在陽極42周圍的圓柱形管套。設置諧振腔66以便與各個諧振腔的耦合端口64對準。諧振腔66用于限定工作在磁控管振蕩模(pi-模)的多個諧振腔，如下面關于圖4c的更充分的討論。
另外，腔結構72可以用于為陽極42提供結構支撐，在許多場合下陽極42非常薄。萬一在高溫中操作，腔結構72還便于冷卻陽極42。
公共諧振腔66包括至少一個或多個輸出端口74，用于將能量從諧振腔66通過透明輸出窗口76耦合出來，作為輸出光輻射24。輸出端口74由通過諧振腔結構72的壁設置的孔或槽形成。
最好與此處所描述的其他實施例一起構成圖2和3所示的結構，，使陽極-陰極空間44和諧振腔66保持在真空內(nèi)。這防止灰塵或碎屑進入裝置，否則灰塵或碎屑會干擾操作。
圖4a表示根據(jù)一通用實施例的陽極42一部分的截面圖。如同所了解的，沿與陽極42和陰極40的公共軸垂直的平面作出截面。為了易于說明，沒有表示出陽極42的曲率。如圖所示，陽極42內(nèi)的每個諧振腔由在陽極42的表面50處形成的槽80表示。在示例中，考慮到諧振，槽80具有等于λ/4的深度d，其中λ表示在所需工作頻率下輸出光輻射24的波長。槽80被分開λ/2或更小的距離，并且每個槽具有等于λ/8或更小的寬度w。槽寬度w應該為λ/8或更小，允許在磁控管振蕩模式工作中電場反轉以前電子通過槽80，如圖所示。
選擇陽極42中槽80的總數(shù)量N，使得通過陽極-陰極空間44的電子最好以實質(zhì)上小于光速c的速度運動(例如近似為0.1c至0.3c的量級)。槽80沿陽極42的內(nèi)圓周均勻間隔，選擇總數(shù)量N，以便為了允許磁控管振蕩模式工作總數(shù)量為偶數(shù)。槽80的長度可以具有某些自由性，不過最好與陰極40的長度相同。為了易于描述，可以考慮將N個槽80在陽極42的圓周周圍從1到N順序標記。
圖4b表示所設計的陽極42的特定實施例，以便在所需要工作頻率下促進pi-模振蕩。前面提到的槽80實際上由長槽80a和短槽80b組成。如圖4b所示，以1/4λ間隔交替設置長槽80a和短槽80b。在最佳實施例中長槽80a與短槽80b的深度比為2∶1，平均深度為λ/4。因此，長槽80a的深度dl等于λ/3，短槽80b的深度ds等于λ/6。在微波波段這種長槽和短槽設置被稱為“上升的太陽(rising sun)”結構。這種結構促進了pi-模振蕩，其中長槽80a相位滯后，短槽80b相位超前。
雖然在圖4a和4b中沒有表示出，不過由各個槽80所形成的一或多個諧振腔將包括一或多個耦合端口64，其將能量從槽80耦合到公共諧振腔66中，例如如圖2和3所示?；蛘?，如例如下面關于圖9和10的實施例所討論的，耦合端口64用于從各個槽80中將能量直接通過輸出窗口耦合出去。最好相對槽80設置耦合端口64，彼此同相以便相長相加?；蛘呖梢允褂靡换蚨鄠€移相器調(diào)節(jié)來自耦合端口64的輻射的相位，使所有輻射同相。
圖4c表示陽極42的另一個特殊實施例，將其設計成促進所需工作頻率處的pi-模振蕩。在圖2和3的實施例中特別表示出陽極42的該實施例。根據(jù)本發(fā)明，以公共諧振腔66形式的外面穩(wěn)定的諧振器用于促進pi-模振蕩。特別是，通過各個耦合端口64將每隔一個槽80(即或者每個偶數(shù)槽或每個奇數(shù)槽)耦合到公共諧振腔66，使所有諧振同相。槽80間隔為λ/2，而每個槽的深度d等于λ/4。
如將理解的那樣，此處所描述的每個實施例中的槽80代表微諧振器。下面的表格提供用于根據(jù)本發(fā)明光學磁控管22的示例性尺寸等。在實際依尺寸制造的裝置的情形中，陰極40的半徑rc為2毫米(mm)，陽極42的內(nèi)半徑ra為7mm，長度為1厘米(cm)，磁場B為2千高斯，電場E電勢為30kV至50kV，在圖4c結構的情況下關于槽80的尺寸如下，例如表

這種磁控管22的輸出功率將為1千瓦(kW)量級的連續(xù)輸出，和1兆瓦(MW)脈沖。另外，效率為85％的量級。從而，本發(fā)明的磁控管22非常適合于利用高效率、高功率輸出的任何應用，如通信、照明、制造等。
可以使用多種不同于半導體制造工業(yè)的技術形成由槽80所形成的微諧振器或諧振腔。例如，現(xiàn)有的微加工技術適合于形成寬度大約為2.5微米的槽。雖然下面描述了特殊的制造技術，不過通常知道通過激光束可控刻蝕產(chǎn)生具有所需寬度和深度的槽80，可以產(chǎn)生導電性中空圓柱形陽極體?；蛘撸谟梢幌盗斜舜藢盈B在上的導電層所形成的陽極42中可以使用光刻技術，齒狀物代表槽80。為了更高頻率應用(例如，λ＝0.5×10-4mm)，可以使用半導體工藝中用的電子束(e-束)技術在陽極42中形成槽80。不過，廣義上說，本發(fā)明不限于任何特定制造方法。
現(xiàn)在參見圖5，根據(jù)本發(fā)明另一實施例的光學磁控管通常表示為22a。除了下面的不同以外，該實施例與圖2和3的實施例完全相同。該實施例中的公共諧振腔66具有一彎曲的外壁70，以便形成環(huán)狀諧振腔66。取決于工作頻率，外壁70的曲率半徑為2.0cm至2.0m的量級。環(huán)狀諧振腔66用于提高公共諧振腔66在所需工作頻率處控制pi-模振蕩的能力。
注意，來自例如偶數(shù)槽80的每個耦合端口64在陽極42的中心處與彎曲外壁70的頂點水平對準。這趨向于將諧振的光輻射朝向陽極42的中心聚焦，減小從圓柱形陽極42端部的光泄露。奇數(shù)槽80不包括這種耦合端口64，從而被驅動與偶數(shù)槽80異相振蕩。
圖6說明通常表示為22b的光學磁控管的另一實施例。除了下面的不同以外圖6的實施例與圖5的實施例完全相同。在該特定實施例中，磁控管22b包括兩個環(huán)狀公共諧振器。更特別地，該磁控管22b包括在諧振腔結構72中形成的第一環(huán)狀諧振腔66a和第二環(huán)狀諧振腔66b。在總的N個槽80中，偶數(shù)槽80中的每一個通過耦合端口64a被耦合到第一腔66a。在總的N個槽80中，奇數(shù)槽80中的每一個通過耦合端口64b被耦合到第二腔66b。
第一諧振腔66a是較高頻率諧振腔，將其設計成在稍高于所需工作頻率的頻率處鎖定諧振模式。第二諧振腔66b是較低頻率諧振器，將其設計成在稍低于所需頻率的頻率處鎖定諧振模式，使得整個裝置在相當于所需工作頻率的中間平均頻率處振蕩。第一諧振腔66a內(nèi)較高頻率模式將趨向于關于所需工作頻率相位超前，而第二諧振腔66b中的低頻率模式將趨向于關于所需工作頻率相位滯后。從而，將導致磁控管振蕩模式工作。
可以從輸出端74a和74b中的一個或兩個形成輸出輻射24。由于來自兩個輸出端的輸出彼此異相，可能需要輸出端74a和74b其中之一包括一移相器(圖中沒有示出)。
如同前一實施例，腔66a和66b的外壁70a和70b的曲率半徑分別在2.0cm至2.0m量級。不過，對于壁70a和70b將曲率半徑分別設計成較短和較長，以便對于所需工作頻率提供所需的高/低頻操作。
在另一實施例中，可以在陽極42的周圍形成多于兩個諧振腔66，將操作限制為pi-模。本發(fā)明不必限于特定數(shù)量。另外，可以將圖6實施例中的腔66a和66b設計成均工作在所需工作頻率下，而不是如前面所描述和所理解的那樣偏離所需工作頻率。
現(xiàn)在參見圖7a和7b，其表示由22c表示的光學磁控管的另一實施例。該實施例說明每隔一個的槽80(即所有偶數(shù)槽或所有奇數(shù)槽)可能包括多于一個耦合端口64，以將能量從各個諧振腔耦合到公共諧振腔66。例如，圖7a表示在陽極42中形成的偶數(shù)槽80在各個槽80中交替具有三個和四個耦合端口64。如同在其他實施例中，耦合端口64將能量耦合到公共諧振腔66，以便更好地控制振蕩模式并引起磁控管振蕩模式工作。如圖7a和7b中也表示出，光學磁控管22c可以包括多個輸出端口74a，74b，74c等，用于通過輸出窗口76從諧振腔66中耦合輸出光輻射24。通過如此處所描述的那樣形成輸出端口74和/或耦合端口64的陣列，如理解的那樣可能會控制耦合量。
雖然圖7a中沒有示出，不過應當理解例如可以用圖5實施例中的環(huán)形腔代替公共諧振腔66。而且，我們知道可以通過此處所描述的多種特征和實施例的任意組合來構成根據(jù)本發(fā)明的光學磁控管22，即(i)可以根據(jù)所需工作波長將包括多個小諧振腔80的陽極結構的尺寸設計成如光波長那樣??；(ii)一用于限制諧振腔80工作在所謂的pi-模的結構，從而限定每個諧振腔80在與最相鄰諧振腔異相的磁控管振蕩弧度振蕩；以及(iii)用于從諧振腔耦合光輻射以輸送有用輸出功率的裝置。此處討論了不同的槽80結構，還討論了用于限制諧振腔的一個或多個公共諧振腔的不同形狀。另外，此處的描述提供通過多種形式從諧振腔耦合功率的裝置，以及耦合端口64和輸出端口74的排列。另一方面，本發(fā)明在廣義上不限于此處所描述的特定結構。
參見圖8，其表示本發(fā)明的垂直層疊的多頻率實施例。在該實施例中，將陽極42分成上陽極42a和下陽極42b。在上陽極42a中，相應于第一工作波長λ1設計槽80a的寬度、間隔和數(shù)量。另一方面，相應于與第一工作波長λ1不同的第二工作波長λ2，設計下陽極42b中槽80b的寬度、間隔和數(shù)量。
例如上陽極42a中的偶數(shù)槽80a包括耦合端口64a，其將來自在上陽極42a中形成的旋轉電子云的能量耦合到上公共諧振腔66a。同樣，下陽極42b中的偶數(shù)(或奇數(shù))槽80b包括耦合端口64b，該耦合端口將來自在下陽極42b中形成的旋轉電子云的能量耦合到下公共諧振腔66b。上公共諧振腔66a和下公共諧振腔66b用于在上陽極42a和下陽極42b中在各自頻率λ1和λ2處引起pi-模振蕩。來自公共諧振腔66a和66b的能量分別經(jīng)過一或多個輸出端口74a和74b通過輸出窗口76輸出。
從而，圖8中表示的本發(fā)明提供一種垂直層疊兩個或多個陽極諧振器的方法，每個陽極諧振器具有不同的工作波長(例λ1和λ2)?？梢栽谝粚Υ盆F58和60之間垂直層疊陽極(例如上陽極42a和下陽極42b)。從而該層疊裝置可以發(fā)射多個頻率。例如，在工作在可見光頻率的磁控管中，可以將在紅光、綠光和藍光波長處振蕩的陽極諧振器垂直層疊在一個裝置中?？梢苑謩e利用輸出光作為彩色顯示的一部分，或者組合利用輸出光，例如產(chǎn)生白光源。
圖9和10說明本發(fā)明的一個實施例，其中提供通過輸出窗口76經(jīng)過耦合端口64的直接輸出耦合。圖10說明陽極-陰極空間內(nèi)的電子云通過時，旋轉電子云是如何在槽80的開口和其中的耦合端口64處產(chǎn)生邊緣場90的。耦合端口的開口處的邊緣場90作為輸出輻射場92從陽極42的對邊被發(fā)射出去。
圖9說明了如圖10所表示的輸出輻射場92通過輸出窗口76被直接輸出的實施例。在此處所描述的其他實施例中，通過耦合端口64的輻射首先以與圖10中所表示的相同方式被引導到公共諧振腔66中。如前面所討論的，公共諧振腔66提供改進的pi-?？刂啤Ｈ欢?，本發(fā)明提出的實施例可能不太有效，不過是有用的，其中耦合端口64直接向輸出窗口76提供輸出輻射。在這種情形中，如圖9所示，不需要槽80中有耦合端口64，其不同于朝著輸出窗口76直接輸出輻射。不過，如所了解的那樣，圖10的耦合原理適用于此處所討論所有耦合端口64和輸出端口74。
圖11a-11c說明根據(jù)本發(fā)明被設計成工作于TEM20模式的光學磁控管22e的實施例。該實施例與前面關于圖5所描述的實施例相似，在于包括具有彎曲外壁70的環(huán)狀諧振腔66。該實施例與圖5的實施例的區(qū)別在于偶數(shù)槽80具有與彎曲外壁70的頂點對準的單個耦合端口64a，如圖11b所示。從而，偶數(shù)槽80趨向于激發(fā)諧振腔66的中心位置(spot)100。另一方面，奇數(shù)槽80包括兩個在彎曲外壁70的頂點相對兩側垂直偏移的耦合端口64b和64c，如圖11c所示。因此，奇數(shù)槽80趨向于激發(fā)諧振腔66的外部位置102。結果在環(huán)狀諧振腔66中產(chǎn)生TEM20單模。中心位置100的電場方向(例如在圖11b和11c為伸出到頁面外)與外部位置102的電場方向(例如進入頁面內(nèi))相反。每半個振蕩周期電場改變一次方向。因而偶數(shù)槽80具有它們關于奇數(shù)槽80異相驅動的電場，槽80被強迫工作于所需的磁控管振蕩模式。
圖11d-11f表示光學磁控管22f的實施例，在這種情形中，根據(jù)本發(fā)明將該光學磁控管設計成工作在TEM10模式中。再次指出，該實施例與前面關于圖5所描述的實施例相似，在于它包括具有彎曲外壁70的環(huán)狀諧振腔66。該實施例與圖5的實施例的區(qū)別在于偶數(shù)槽80具有向上偏離彎曲外壁70頂點的耦合端口64a，如圖11e所示。結果，偶數(shù)槽80趨向于激發(fā)諧振腔66的上部位置104。
相反，奇數(shù)槽80包括向下偏離彎曲外壁70頂點的耦合端口64b，如圖11f所示。結果奇數(shù)槽80趨向于激發(fā)諧振腔66的下部位置106。在這種情形中，結果在環(huán)狀諧振腔66中產(chǎn)生TEM10單模。上部位置104的電場方向(例如在圖11e和11f中為進入頁面)與下部位置106的電場方向(例如從頁面伸出)相反?？梢栽诃h(huán)繞諧振腔66的圓周在彎曲外壁70的頂點處形成一小凸起108或“阻流片”，有助于抑制TEM00模。上部和下部電場每半個振蕩周期改變一次方向。因而偶數(shù)槽80具有其關于奇數(shù)槽80異相驅動的電場，槽80被迫工作在所需的pi-模中。
圖11a-11f表示根據(jù)本發(fā)明的兩種可能的單模。不過，應該理解，在不偏離本發(fā)明精神的條件下可以使用其他TEM模式進行pi-?？刂?。
就制造而言，如了解的那樣可以由多種導電金屬中的任何一種來形成磁控管22的陰極40。陰極40可以是實心塊，或者簡單地由諸如銅、金或銀的導電金屬涂覆而成，或者例如由螺旋形纏繞的敷釷鎢燈絲制成?；蛘撸梢詮奈⒔Y構構成冷場發(fā)射陰極40，如還可以使用碳納米管。
陽極42由導電材料和/或涂覆有諸如銅、金或銀的非導電材料制成。除了諧振腔66的壁和輸出端口74被涂覆有或者由諸如銅、金或銀的導電金屬形成以外，諧振腔結構72可能是導電性或者可能是不導電的。陽極42和諧振腔結構72可以分別形成，或者如了解的那樣作為一個整體部件而形成。
圖12a和12b說明使用電子束蝕刻方法制造陽極42的示例性方法。選擇圓柱形中空鋁棒110的半徑等于陽極42的所需內(nèi)半徑ra。例如圍繞棒110的圓周形成一層正型光刻膠112，如圖12a所示。光刻膠層112將沿棒110的軸的長度l應該具有所需陽極42的長度的量級(例如1cm至2cm)?？刂乒饪棠z層112的厚度使之等于所需的諧振腔或槽80的深度。
然后將棒110放置在用于制造半導體的電子束圖案化裝置內(nèi)的夾緊裝置114中，例如圖12b所示。然后控制電子束116，通過平行于棒110的軸曝光沿光刻膠層112的長度方向的各條線進行圖案化。如將被理解的那樣，這些線將用于形成諧振腔或陽極42中槽80的側壁?？刂凭€以使其寬度等于相鄰槽80之間的間隔(例如在如圖4a和圖4c的實施例的情形中大小為λ/2-λ/8)。線彼此之間分開所需的槽80的寬度w(例如在如圖4a和4c的實施例的情形中為λ/8)。
然后顯影和蝕刻圖案化的光刻膠112，以便去除光刻膠層112的曝光部分。這就產(chǎn)生了具有幾個由光刻膠形成的細條紋或葉片的棒110，分別相當于在陽極42中形成的槽80。然后將棒110和相應的條紋或葉片銅電鍍成相當于陽極42的所需外徑的厚度(例如2mm)。如將理解的那樣，將在條紋或葉片周圍形成銅電鍍直到鍍層最終基本均勻地覆蓋棒110。
然后通過使用任何已知可能的溶劑在鋁/光刻膠和銅之間有選擇地化學溶解鋁和光刻膠，從銅鍍層去除鋁棒110和由光刻膠制成的條紋或葉片。與被稱為熔模鑄造的技術相似，剩余的銅鍍層形成具有所需諧振腔或槽80的陽極42。
應當理解，可以使用負型光刻膠經(jīng)過相同技術形成等價的結構，對于槽等形成反轉圖案。
可以使用相同技術使用多層光刻膠形成如圖4b中具有不同深度的槽80。圖案化并蝕刻第一層光刻膠112以便在鋁棒110上形成相當于長槽80a和短槽80b(圖4)的條紋或葉片。第一層光刻膠112的厚度ds相當于短槽的深度。在第一圖案化的層上形成第二和隨后的光刻膠層112。圖案化第二層112以便形成用于構成長槽80的條紋或葉片的剩余部分。換句話說，第二層112具有厚度dl-ds。可以相同方式形成多個耦合部分64，也就是使用附加的光刻膠層112以在所需位置限定耦合端口64。然后將棒110和光刻膠例如鍍銅，以便形成具有隨后被溶解掉的棒110和光刻膠的陽極42。對于圖4c的實施例，如可理解的那樣，可以將用于形成耦合端口64的相同技術用于前面所描述的制造技術中。
圖13說明使用已知微加工/光刻技術形成作為垂直疊加層的陽極42的方法。在襯底上形成第一金屬層，如銅。然后在銅上形成一層光刻膠，隨后圖案化和刻蝕(例如用電子束)銅，從而在與陽極42的軸垂直的平面內(nèi)確定出諧振腔或槽80。隨后在最初層上形成銅層并進行刻蝕，以便產(chǎn)生疊層，從而得到所需的陽極42長度。如可理解的那樣，例如可以在銅層之間形成氧化物或其他材料的的平面化層，然后去除該層，以避免當沉積隨后銅層時填充已存在的槽80。并且，可以按需要使用這種氧化物來限定耦合部分64，然后通過有選擇地氧化物/銅刻蝕去除該氧化物。
如可理解的那樣，可以使用半導體器件制造中使用的的已知光刻和微加工技術獲得對于陽極42和相應諧振腔(例如槽80)所需的分辨率。廣義而言，本發(fā)明不限于此處所描述的特定方法。
圖14a-14c說明一種用于形成具有此處所描述的環(huán)狀諧振腔結構72的方法。例如，加工鋁棒120使之在中間具有凸起122，如圖14a所示。將棒120上部和下部124的半徑設置成近似等于陽極42的外半徑，將圍繞其安裝結構72。加工凸起122使其具有相當于將被形成的結構72的頂點的半徑。
然后，將凸起122弄成圓形以便如前所述確定壁70的彎曲環(huán)狀。然后使用銅電鍍?nèi)绱思庸さ陌?12，以在其周圍形成結構72，如圖14b所示。隨后從銅結構72上化學溶解掉鋁棒120，得到如圖14c所示的結構72。例如，可以依照需要使用微加工(例如通過激光加工)形成輸出端口74。
現(xiàn)在參見圖15-38，涉及適用于根據(jù)本發(fā)明不同實施例的光學磁控管的多種不同陽極結構42。如將被理解的那樣，圖15-38所示的陽極42可以代替前面所討論的其他實施例中的陽極42，例如圖5-9的實施例。另外，每個陽極42具有通常的中空圓柱形，其內(nèi)表面50限定了陽極-陰極空間，在陽極-陰極空間中陰極40被共軸設置(圖中沒有示出)。取決于特定實施例，圍繞陽極42的外圓周通過如前面實施例中的諧振腔結構72(圖中沒有示出)形成一或多個公共諧振腔66(圖中沒有示出)。由于僅陽極42結構本身相對于此處所討論的多種實施例的相應部分存在區(qū)別，為了簡化起見，下面的討論限于陽極42。本領域技術人員將會理解，本發(fā)明涉及如前面所討論的采用任何和所有不同陽極結構42的光學磁控管。而且，應該理解，在光學范圍以外的帶寬中陽極結構42可以具有部分磁控管效用，被認為是本發(fā)明的一部分。
特別是，圖15-18表示根據(jù)本發(fā)明比較例的陽極42。如圖15所示，陽極42為具有內(nèi)表面50和外表面68的中空圓柱形。與前面所討論的實施例相似，沿內(nèi)表面50形成N多個(其中N為偶數(shù))槽或腔80。再次指出，槽80作為諧振腔。如前面所討論的，槽或腔80的數(shù)量和尺寸取決于所需工作波長λ。通過多個餅狀楔形元件150形成陽極42，此處簡單地將其稱為楔形物。當一個挨一個堆放時，楔形物150構成了陽極42的結構，如圖15所示。
圖16為示例性楔形物150的俯視圖。每個楔形物150具有等于(2π/N)弧度的角寬度φ，和內(nèi)半徑ra，內(nèi)半徑ra等于陽極42內(nèi)半徑ra。楔形物150的外半徑ro相當于陽極42的外半徑ro(即到外表面68的徑向距離)。每個楔形物150還包括沿楔形物150的頂點形成的凹槽152，其與相鄰楔形物150的側壁154一起，，限定了N個諧振腔80其中的一個。
如圖16所示，每個凹槽152的長度等于d，該長度等于每個諧振腔80的深度。另外，每個凹槽152具有一寬度w，該寬度w等于每個諧振腔80的寬度。因此，當一個挨一個放置時，楔形物150在陽極42的內(nèi)表面50的周圍形成N個諧振腔80。如前面所描述的，在所需工作波長的基礎上選擇數(shù)量N、深度、寬度和諧振腔80之間的間距，從而選擇楔形物150的尺寸。如所理解的那樣，設置每個楔形物150的長度L(例如參見圖17)，等于陽極42的所需高度。
如前面所討論的實施例，可以將圍繞陽極42圓周的楔形物150稱為偶數(shù)和奇數(shù)楔形物150。偶數(shù)楔形物150包括產(chǎn)生偶數(shù)腔80的凹槽152，奇數(shù)楔形物150包括產(chǎn)生奇數(shù)腔80的凹槽152。圖17和18分別表示偶數(shù)和奇數(shù)楔形物150a和150b的正視圖。如圖17和圖18所示，偶數(shù)和奇數(shù)楔形物150a和150b的正視圖分別包括一凹槽152。不過，另外，每個奇數(shù)楔形物150b包括一耦合端口凹槽164，如圖18所示。每個耦合端口凹槽164與相鄰楔形物150a的后側壁154一起構成耦合端口64，作為單模波導，用于將能量從奇數(shù)腔80耦合到公共諧振腔72。注意到在圖15中作為例子僅表示出一個這種耦合端口64?？梢岳斫?，如同每個楔形物150的前側壁166那樣，每個楔形物150的后側壁154基本為平的。從而，凹槽152和164與相鄰楔形物150的后側壁154一起形成所需的諧振腔80和耦合端口64。
可以用多種不同類型的導電材料，如銅、鋁、黃銅等，如果需要通過電鍍(例如金)制成楔形物150?；蛘呖梢杂赡承┓菍щ姴牧现瞥尚ㄐ挝?50，至少在非導電材料的形成諧振腔80和耦合端口64的區(qū)域中電鍍導電材料形成楔形物。
可以使用多種已知制造或生產(chǎn)技術中任何一種來形成楔形物150。例如可以使用精密銑削機加工楔形物150?；蛘呖梢允褂眉す馇懈詈?或加工裝置形成楔形物。作為另一種選擇，可以使用光刻技術來形成所需的楔形物。這種楔形物的使用允許按照需要對各個尺寸進行精確控制。
在形成楔形物150之后，以適當順序(即偶數(shù)-奇數(shù)-偶數(shù)-奇數(shù)...)排列楔形物以便形成陽極42?？梢酝ㄟ^相應的夾緊裝置和楔形物軟焊、硬焊或其他結合成整體的方法固定楔形物150。
圖15-18的實施例與圖5實施例的相似之處在于僅偶數(shù)/奇數(shù)腔80包括耦合端口64，而奇數(shù)/偶數(shù)腔80不包括這種耦合端口64。以相同方式，每隔一個腔80到公共諧振腔66的耦合用于引發(fā)磁控管振蕩模式工作。
圖19-23涉及陽極42的另一實施例。就以楔形物為基礎的結構而言，該實施例通常是相似的，從而此處為了簡化僅討論差別。圖19說明了示意性截面圖中的陽極42。在該特定實施例中，每個諧振腔80包括一或多個耦合端口64，每個耦合端口起單模波導的作用，用于在諧振腔80和一或多個公共諧振腔66之間耦合能量，以便引發(fā)進一步的磁控管振蕩模式工作。由奇數(shù)楔形物150b形成的耦合端口64關于由偶數(shù)楔形物150a形成的耦合端口引入一附加的1/2λ延遲，以便提供適當?shù)南辔魂P系。
圖19說明了在該特定實施例中，奇數(shù)楔形物150b包括呈輻射狀延伸并以形成相應諧振腔80的凹槽152與陽極42的外表面68之間H-平面方向呈一定角度的凹槽164b。另一方面，每個偶數(shù)楔形物150a包括一對凹槽164b，每個凹槽呈輻射狀延伸并與構成相應諧振腔80的凹槽152與外表面68之間的中軸垂直。(理解到相對其預定方向改變?nèi)鐖D19中所示的偶數(shù)楔形物150，以提供凹槽164a的清晰視圖)。
選擇在奇數(shù)楔形物中所形成的凹槽164b的角度，使得每個凹槽164b與凹槽164a相比都引入一附加的1/2λ延遲。從而，在由偶數(shù)和奇數(shù)楔形物150所形成的諧振腔80之間耦合的輻射相對公共諧振腔66具有適當?shù)南辔魂P系。
圖22和23說明了圖19的實施例中的奇數(shù)楔形物150b在向上的方向角和向下方向角之間的交替。如所理解的，這允許在陽極-陰極空間和公共諧振腔66(圖中沒有示出)內(nèi)能量關于軸方向更加均勻地分布。
圖24-27說明陽極42的另一實施例，使用由奇數(shù)楔形物構成的耦合端口64的H-平面彎曲，相對偶數(shù)楔形物構成的耦合端口64引入一附加的1/2λ延遲。偶數(shù)楔形物150a與圖19-23實施例中的楔形物相似。不過，奇數(shù)楔形物150b包括一對凹槽164b，每個凹槽164b相對H-平面呈一定角度。設計每個凹槽164b，以與相鄰楔形物150a的后側壁154一起構成單模波導。凹槽164b沿H-平面彎曲，以便與偶數(shù)楔形物中的凹槽164a相比每個凹槽164b提供一附加的1/2λ延遲。從而，為了進行磁控管振蕩模式工作，在諧振腔80與一或多個環(huán)繞的公共諧振腔66(圖中沒有示出)之間形成所需的相位關系。另外，因為每個凹槽164b包括一對彎曲170和172，由凹槽所形成的耦合端口64通過沿陽極42的軸方向均勻分布。因此，與圖19-23的要求兩個不同奇數(shù)楔形物150b1和150b2的實施例相比，該實施例可能更合適。還理解到如圖24所示相對其預定取向改變偶數(shù)楔形物150a，以便提供凹槽164a的清楚視圖。
圖28和29說明了另一個陽極42的基于楔形物結構的實施例。該實施例在以下方面與圖19-23的實施例不同。偶數(shù)楔形物150a包括三個凹槽164a而不是兩個。奇數(shù)楔形物150b1和150b2包括兩個凹槽164b而不是一個。如所理解的，根據(jù)本發(fā)明在各個楔形物150中所形成的凹槽數(shù)量不限于任何特定數(shù)字。如所理解的，可以在所需的陽極-陰極空間與公共諧振腔66之間的耦合量的基礎上選擇凹槽164的數(shù)量。還知道相對其預定取向改變?nèi)鐖D28所示的偶數(shù)楔形物150a，以便提供凹槽164a的清楚視圖。
現(xiàn)在參見圖30-33，其表示陽極42的另一個實施例，利用由耦合楔形物150a所形成的耦合端口64中與奇數(shù)楔形物150b相比附加的1/2λ延遲引發(fā)磁控管振蕩模式工作。不過，在該實施例中，通過調(diào)節(jié)凹槽164的相對寬度(與引入H-平面彎曲相比)提供附加的1/2λ延遲。更特別是，每個奇數(shù)楔形物150b包括一對凹槽164b，與相鄰楔形物150a的后側壁154一起構成作為耦合端口64的單模波導。另一方面，偶數(shù)楔形物150a包括具有寬度174的凹槽164a，與凹槽164b相比，寬度174較寬。如波導理論中公知的，可以選擇適當選擇的凹槽164a的較寬寬度174，提供與凹槽164b相比一附加的1/2λ延遲。因此，可以獲得由奇數(shù)和偶數(shù)楔形物所形成的耦合端口64之間磁控管振蕩模式工作所需的相位關系。
圖34-38涉及陽極42的一個實施例，利用耦合端口64的E-平面中的彎曲為磁控管振蕩模式工作提供所需的附加1/2λ延遲。如圖34所示，陽極42由一個層疊在另一個頂上的多個層180構成，多個層180之間存在或不存在間隔元件(圖中沒有示出)。將層180稱為偶數(shù)層180a或奇數(shù)層180b，在層中偶數(shù)層180a與奇數(shù)層180b交替存在。偶數(shù)層180a包括形成耦合端口64的線性波導，用于在陽極-陰極空間與一或多個公共諧振腔66(圖中沒有示出)之間進行能量耦合。奇數(shù)層180b包括波導，在E-平面內(nèi)彎曲并構成耦合端口64，也用于在陽極-陰極空間與一或多個公共諧振腔66之間進行能量耦合。奇數(shù)層180b中的波導是彎曲的，以便與偶數(shù)層180a中的波導相比引入一附加的1/2λ延遲，提供所需的磁控管振蕩模式工作。
圖35和36說明了示例性的偶數(shù)層180a。每層180a由N/2個波導元件182組成，其中如上所述N為所需諧振腔80的數(shù)量。波導元件182均形成為圖36所示的楔形。一個挨一個地設置波導元件182，如圖35所示，以便形成一層，限定陽極42的內(nèi)表面50和外表面68。每個楔形物的尖端包括一個槽，在該槽中限定一諧振腔80。另外，相鄰波導元件182相分隔開，以便在其中形成諧振腔80，如圖36所示。如所理解的那樣，當將層180層疊在一起時，對齊每層180中所形成的諧振腔80。可以在元件182中形成對齊孔或標記184，有助于在層之間進行這種對齊。
如圖36更好地表示的那樣，波導元件182之間的間隔限定了一輻射狀錐形波導，用做偶數(shù)諧振腔80與陽極42的外表面68之間的耦合端口64。設置波導元件182的厚度，使得耦合端口64具有相當于所需工作波長λ的H-平面高度。類似地，對于所需波長λ選擇諧振腔80的尺寸和波導元件182之間的間隔。
波導元件182由導電材料如銅、多晶硅等制成，以便限定諧振腔和耦合端口64的導電壁?；蛘?，波導元件182可以由非導電材料制成，至少在限定諧振腔和耦合端口64的壁的部分鍍有導電鍍層。
在組成陽極42的層疊中相鄰層180之間形成間隔元件186(圖36中表示出一部分)。間隔物186至少在提供層180中耦合端口64的導電E-平面壁的相應部分是導電性的。間隔物186可以是內(nèi)半徑等于陽極42內(nèi)半徑的墊圈。
圖37和38說明示例性的奇數(shù)層180b。奇數(shù)層180b在結構上與偶數(shù)層相似，區(qū)別在于波導元件182是彎曲的，以便提供形成耦合端口64的錐形波導的E-平面方向中所需的彎曲。計算出彎曲的特定曲率半徑，以便對于磁控管振蕩模式工作相對耦合層180a的耦合端口64提供所需的附加1/2λ延遲。并且，奇數(shù)層180b中的耦合端口64用于將奇數(shù)諧振腔80耦合到陽極42的外表面68，而不是如偶數(shù)層180a中那樣將偶數(shù)諧振腔80耦合到外表面68。
如所理解的，圖34-38的實施例特別適合已知光刻制造方法?？梢酝ㄟ^在直線波導層180a之間插入E-平面彎曲層180b，制成大陽極42?？梢允褂霉饪碳夹g來形成和增加層?？梢缘玫骄哂兴璺直媛实纳踔凉ぷ髟诟吖獠ㄩL處的適當尺寸。波導元件182例如可以由銅或多晶硅形成。如果需要，可以在形成耦合端口64的波導中填充適當?shù)碾娊橘|(zhì)，以提供層180之間的平面化。如所理解的，層180之間的間隔物186可以由銅、多晶硅等形成。
在另一實施例中，每個層180通常與耦合端口64相同，耦合端口64從每個諧振腔80呈輻射狀向外朝著陽極的外表面68延伸。不過，在這種情形中，相應于奇數(shù)諧振腔80的耦合端口64的高度大于相應于偶數(shù)諧振腔80的耦合端口64的高度。高度差相當于前面關于圖30-33實施例所討論的寬度的差別，對于磁控管振蕩模式工作設置高度差以便相對偶數(shù)諧振腔80的耦合端口64產(chǎn)生所需的附加1/2λ延遲。
因而將會理解，本發(fā)明的光學磁控管適用于在迄今為止傳統(tǒng)磁控管不可能的頻率處工作。本發(fā)明的光學磁控管能夠在紅外和可見光波段范圍內(nèi)產(chǎn)生高效率，高功率電磁能量，可以超出該頻率范圍擴展到諸如紫外、X-射線等更高頻率。結果，本發(fā)明的光學磁控管可以在多種應用中用做光源，這些應用如長距離光通信、商業(yè)或工業(yè)照明、制造業(yè)等。
雖然已經(jīng)參見某些最佳實施例說明并描述了本發(fā)明，顯然本領域技術人員在理解說明書的基礎上會想到其等效設計和變型。例如，雖然提供槽作為最簡單形式的諧振腔，可以在不偏離本發(fā)明范圍的條件下在陽極中使用其他形狀的諧振腔。
另外，雖然已經(jīng)詳細描述的用于提供磁控管振蕩模式工作的最佳技術，其他技術也屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如，可以在槽之間提供交叉耦合。槽80分開1/2λ，以在相鄰槽80之間設置耦合通道。從槽到槽的耦合通道尺寸為3/2λ。在另一實施例中，在陽極結構的圓周周圍嵌入多個光諧振器，通過在相應的一個光諧振器中耦合成單一振蕩模式，陽極結構具有被限定成異相振蕩的非相鄰槽。在此描述的基礎上其他方法將是顯而易見的。
另外，了解到此處所描述的采用彎曲表面和TEM?？刂拼趴毓苷袷幠Ｊ焦ぷ鞯沫h(huán)狀諧振器可以用在不同的傳統(tǒng)磁控管中。更特別是，在非光學磁控管中可以使用本發(fā)明與環(huán)狀諧振器相關的特征控制pi-模振蕩，如那些工作在低于100Ghz微波頻率處的磁控管。
本發(fā)明包括所有這些等價和變型，本發(fā)明范圍僅受所附權利要求范圍的限制。
權利要求
1.一種光學磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)提供通常與該電場垂直的直流磁場；以及多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；其中將每個諧振腔設計成在波長λ近似為10微米或更小的頻率處諧振。
2.如權利要求1所述的磁控管，其中該多個諧振腔包括在陽極中形成的多個基本上等深度的徑向槽。
3.如權利要求1所述的磁控管，其中該多個諧振腔包括在陽極中形成的至少兩種不同深度交替出現(xiàn)的徑向槽。
4.如權利要求1所述的磁控管，其中該多個諧振腔包括多個徑向槽，并且多個徑向槽中的至少一部分被耦合到一公共諧振器上。
5.如權利要求4所述的磁控管，其中該公共諧振器包括至少一個環(huán)繞陽極外圓周的公共諧振腔。
6.如權利要求5所述的磁控管，其中該公共諧振器包括單個公共諧振腔，并且在陽極中形成的多個徑向槽之中僅每隔一個徑向槽被耦合到該諧振腔上。
7.如權利要求5所述的磁控管，其中該公共諧振器包括環(huán)繞陽極外圓周的多個公共諧振腔。
8.如權利要求7所述的磁控管，其中在陽極中形成的多個徑向槽之中，奇數(shù)槽被耦合到多個公共諧振腔中的第一個，偶數(shù)槽被耦合到多個公共諧振腔中的第二個。
9.如權利要求5所述的磁控管，其中該公共諧振腔具有一限定腔外壁的彎曲表面。
10.如權利要求1所述的磁控管，其中該多個諧振腔中的至少一個被耦合到至少一個輸出端口，以輸出波長為λ的電磁能。
11.如權利要求10所述的磁控管，其中該輸出端口包括一對于波長為λ的電磁能通常為透明的輸出窗口。
12.一種通信系統(tǒng)，包括一根據(jù)權利要求1所述的光學磁控管；以及為了傳輸信息而對光學磁控管的輸出進行調(diào)制的裝置。
13.一種光學磁控管，包括一具有半徑rc的圓柱形陰極；一具有半徑ra的環(huán)狀陽極，該陽極與陰極共軸對齊以便限定一具有寬度wa＝ra-rc的陽極-陰極空間；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間中提供通常垂直于該電場的直流磁場；以及多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；其中將每個諧振腔設計成在具有波長λ的頻率處諧振，并且陽極表面的周長2πra大于λ。
14.如權利要求13所述的磁控管，其中該多個諧振腔包括形成在陽極中的基本為等深度的多個徑向槽。
15.如權利要求13所述的磁控管，其中該多個諧振腔包括形成在陽極中的至少兩種不同深度交替出現(xiàn)的徑向槽。
16.如權利要求13所述的磁控管，其中該多個諧振腔包括多個徑向槽，并且該多個徑向槽中至少一部分被耦合到一公共諧振器上。
17.如權利要求16所述的磁控管，其中該公共諧振器包括環(huán)繞陽極外圓周的至少一個公共諧振腔。
18.如權利要求17所述的磁控管，其中該公共諧振器包括單個公共諧振腔，并且在陽極中形成的多個徑向槽之中僅每隔一個徑向槽被耦合到該諧振腔上。
19.如權利要求17所述的磁控管，其中該公共諧振器包括環(huán)繞陽極外圓周的多個公共諧振腔。
20.如權利要求19所述的磁控管，其中在陽極中形成的多個徑向槽之中，奇數(shù)槽被耦合到多個公共諧振腔中的第一個，偶數(shù)槽被耦合到多個公共諧振腔中的第二個。
21.如權利要求17所述的磁控管，其中該公共諧振腔具有一限定腔外壁的彎曲表面。
22.如權利要求13所述的磁控管，其中該多個諧振腔中的至少一個諧振腔被耦合到至少一個輸出端口，以輸出波長為λ的電磁能。
23.如權利要求22所述的磁控管，其中該輸出端口包括一對于波長為λ的電磁能通常為透明的輸出窗口。
24.一種光學磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)提供通常垂直于該電場的直流磁場；以及一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面形成的N個諧振腔的高密度陣列，N個諧振腔中的每一個具有一開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；其中N為大于1000的整數(shù)。
25.如權利要求24所述的磁控管，其中N大于10,000。
26.如權利要求24所述的磁控管，其中N大于100,000。
27.如權利要求24所述的磁控管，其中N大于500,000。
28.一種磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)提供通常垂直于該電場的直流磁場；多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；一環(huán)繞陽極外圓周的公共諧振器，多個諧振腔中的至少某些被耦合到該公共諧振器，以引發(fā)磁控管振蕩模式工作。
29.如權利要求28所述的磁控管，其中該公共諧振器包括單個公共諧振腔，并且在陽極中形成的多個諧振腔之中，僅僅每隔一個諧振腔被耦合到公共諧振腔上。
30.如權利要求29所述的磁控管，其中該公共諧振器包括環(huán)繞陽極外圓周的多個公共諧振腔。
31.如權利要求30所述的磁控管，其中在陽極中形成的多個諧振腔之中，奇數(shù)槽被耦合到多個公共諧振腔中的第一個，偶數(shù)槽被耦合到多個公共諧振腔中的第二個。
32.如權利要求28所述的磁控管，其中該公共諧振腔具有一限定腔外壁的彎曲表面。
33.如權利要求28所述的磁控管，其中該公共諧振器被耦合到一輸出端口，以輸出波長為λ的電磁能。
34.如權利要求28所述的磁控管，其中該磁控管包括一輸出端，其輸出等于或大于100千兆赫茲頻率的電磁能。
35.如權利要求28所述的磁控管，其中該磁控管包括一輸出端，其輸出等于或小于100千兆赫茲頻率的電磁能。
36.一種磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓可跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置在陽極相對端的一對磁鐵，以在陽極-陰極空間中提供通常垂直于該電場的直流磁場；以及多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；其中該陽極包括至少一上陽極和一下陽極，將上陽極的諧振腔中的每個設計成在具有第一波長的頻率處諧振，并且將下陽極的諧振腔中的每個設計成在具有不同于第一波長的第二波長的頻率處諧振。
37.一種磁控管，包括一陽極，一陰極和多個諧振腔；以及用于將電能施加給陽極和陰極，以利用多個諧振腔將電能轉變?yōu)楣廨椛涞难b置。
38.一種形成用于光學磁控管的陽極的方法，包括以下步驟在由第一種材料制成的圓柱形芯的外表面周圍形成一光刻膠層；圖案化并蝕刻該光刻膠層以便形成多個從圓柱形芯的外表面徑向延伸以限定多個槽的葉片；使用不同于光刻膠和第一種材料的第二種材料涂覆圓柱形芯和葉片；以及從鍍層上去除葉片和圓柱形芯，以產(chǎn)生具有多個槽的圓柱形陽極。
39.如權利要求38所述的方法，其中通過溶劑化學地去除葉片和圓柱形芯。
40.如權利要求38所述的方法，其中通過光刻技術進行圖案化的步驟。
41.如權利要求40所述的方法，其中該光刻技術為電子束蝕刻。
42.一種形成用于光學磁控管的陽極的方法，包括以下步驟形成一層擬由其制成陽極的材料；圖案化并蝕刻該層以形成圓柱形陽極的第一層，其具有沿陽極內(nèi)圓周形成的多個諧振腔；形成至少一個后續(xù)材料層，并且重復圖案化和蝕刻步驟，以便增加陽極的垂直高度。
43.一種磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；以及設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)提供通常垂直于該電場的磁場，其中該陽極包括并排設置的多個楔形物，以形成一其中具有陽極-陰極空間的中空形圓柱體，而且每個楔形物包括一第一凹槽，至少部分地限定一具有一暴露在陽極-陰極空間中的開口的諧振腔。
44.如權利要求43所述的磁控管，其中每個楔形物為餅形，并包括沿該楔形物的窄端形成的第一凹槽。
45.如權利要求43所述的磁控管，其中多個楔形物的第一子集中的每個楔形物均包括一第二凹槽，至少部分地限定一第一耦合端口，其用于在由楔形物所限定的諧振腔與陽極外表面之間耦合能量。
46.如權利要求45所述的磁控管，其中按偶數(shù)和奇數(shù)楔形物的交替圖案設置該多個楔形物，并且多個楔形物的第一子集包括偶數(shù)楔形物。
47.如權利要求46所述的磁控管，其中多個楔形物的第二子集中的每個楔形物均包括一第三凹槽，其至少部分地限定一第二耦合端口，用于在由楔形物所限定的諧振腔與陽極的外表面之間耦合能量。
48.如權利要求47所述的磁控管，其中多個楔形物中的該第二子集包括奇數(shù)楔形物。
49.如權利要求48所述的磁控管，其中該第二耦合端口相對第一耦合端口提供一附加的1/2λ延遲，其中λ代表該磁控管的工作波長。
50.如權利要求49所述的磁控管，其中該第二耦合端口包括至少一個在第一耦合端口中不存在的彎曲。
51.如權利要求50所述的磁控管，其中該彎曲為H-平面彎曲。
52.如權利要求49所述的磁控管，其中該第二耦合端口與第一耦合端口相比其寬度更寬，以便提供一附加的1/2λ延遲。
53.如權利要求49所述的磁控管，還包括至少一個環(huán)繞陽極外表面的公共諧振腔。
54.如權利要求49所述的磁控管，其中在第一子集和第二子集其中至少之一中的每個楔形物均分別包括多個第二凹槽或第三凹槽。
55.如權利要求43所述的磁控管，其中該多個楔形物由金屬材料形成。
56.如權利要求43所述的磁控管，其中該磁控管具有處于光波譜范圍內(nèi)的一工作波長λ。
57.一種磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；以及設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)提供通常垂直于該電場的磁場，其中該陽極包括多個相互層疊在頂上的墊圈形層，以便形成一其中具有陽極-陰極空間的中空形圓柱體，并且多個層中的每一層包括沿內(nèi)徑的多個凹槽，其與多個層中其他層的凹槽對齊，以沿圓柱體的軸限定多個諧振腔，每個諧振腔具有一開向陽極-陰極空間的開口。
58.如權利要求57所述的磁控管，其中該多個層的第一子集中的每個層均包括至少一個第一耦合端口，用于在由該層所限定的一個諧振腔與陽極的外表面之間耦合能量。
59.如權利要求58所述的磁控管，其中將該多個層設置成偶數(shù)和奇數(shù)層圖案交替出現(xiàn)，并且該多個層的第一子集包括偶數(shù)層。
60.如權利要求59所述的磁控管，其中該多個層的第二子集中的每個層均包括至少一個第二耦合端口，用于在由該層所限定的一個諧振腔與陽極的外表面之間耦合能量。
61.如權利要求60所述的磁控管，其中該多個層中的第二子集包括奇數(shù)層。
62.如權利要求61所述的磁控管，其中該第二耦合端口相對第一耦合端口提供一附加的1/2λ延遲，其中λ代表該磁控管的工作波長。
63.如權利要求62所述的磁控管，其中該第二耦合端口包括至少一個在第一耦合端口中不存在的彎曲。
64.如權利要求63所述的磁控管，其中該至少一個彎曲處于相應層的平面內(nèi)。
65.如權利要求63所述的磁控管，其中該彎曲為H-平面彎曲。
66.如權利要求57所述的磁控管，其中多個層中的每一層均包括至少一個第一耦合端口，用于在由該層所限定的一個諧振腔與陽極的外表面之間耦合能量，并且包括至少一個第二耦合端口，用于在由該層所限定的另一個諧振腔與陽極的外表面之間耦合能量，并且對于多個相鄰層該至少一個第一耦合端口組合以產(chǎn)生一組合的第一耦合端口，與由對于多個相鄰層的至少一個第二耦合端口組合而形成的組合的第二耦合端口相比，其寬度相對較寬。
67.如權利要求66所述的磁控管，其中該組合的第一耦合端口相對該組合的第二耦合端口提供一附加的1/2λ延遲，其中λ代表該磁控管的工作波長。
68.如權利要求57所述的磁控管，還包括至少一個環(huán)繞陽極外表面的公共諧振腔。
69.如權利要求57所述的磁控管，其中通過設置具有導電側壁的波導元件以限定第一和第二耦合端口來形成多個層中的每一個。
70.如權利要求57所述的磁控管，其中多個層中的每一層均為平版印刷所形成的層。
71.如權利要求57所述的磁控管，其中該磁控管具有處于光波譜內(nèi)的工作波長λ。
72.一種磁控管，包括由陽極-陰極空間分開的一陽極和一陰極；用于在陽極與陰極之間施加電壓和跨過陽極-陰極空間建立電場的電氣插頭；設置至少一個磁鐵，以在陽極-陰極空間內(nèi)提供通常垂直于該電場的磁場；多個諧振腔，每個諧振腔具有一沿限定陽極-陰極空間的陽極表面的開口，從而使從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響，以遵循通過陽極-陰極空間的路徑，并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場；以及一環(huán)繞陽極外圓周的公共諧振器，至少多個諧振腔中的某些諧振腔通過耦合端口耦合到該公共諧振器上，以引發(fā)磁控管振蕩模式工作，其中至少某些耦合端口相對其他耦合端口引入一附加的1/2λ延遲，其中λ為該磁控管的工作波長。
73.如權利要求72所述的磁控管，其中該至少某些耦合端口中的每一個包括一彎曲。
74.如權利要求73所述的磁控管，其中該彎曲處于耦合端口的H-平面內(nèi)。
75.如權利要求73所述的磁控管，其中該彎曲處于耦合端口的E-平面內(nèi)。
76.一種制造用于磁控管的陽極的方法，包括并排地設置多個楔形物，以形成一其中具有陽極-陰極空間的中空形圓柱體，并在每個楔形物中形成一第一凹槽，其至少部分地限定一具有暴露在陽極-陰極空間中的開口的諧振腔。
77.一種制造用于磁控管的陽極的方法，包括彼此在頂上形成多個墊圈狀層，以便形成一其中具有陽極-陰極空間的中空圓柱體，并在多個層的每一層中形成多個沿內(nèi)徑的凹槽，其與多個層中其他層的凹槽對齊，以沿圓柱體的軸限定多個諧振腔，每個諧振腔均具有一開向陽極-陰極空間的開口。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學磁控管,其包括一具有半徑rc的圓柱形陰極,和一具有半徑ra的陽極,且此陽極與陰極共軸對齊以限定一具有寬度wa=ra－rc的陽極－陰極空間。該光學磁控管還包括電氣插頭,用于在陽極與陰極之間施加直流電壓和跨過陽極－陰極空間建立電場,并且設置至少一個磁鐵,以在陽極－陰極空間內(nèi)提供通常垂直于該電場的直流磁場。提供多個諧振腔,每個諧振腔具有一沿限定陽極－陰極空間的陽極表面的開口。從陰極發(fā)射的電子受到電場和磁場的影響,以遵循通過陽極－陰極空間的路徑,并緊鄰諧振腔的開口通過而在諧振腔中產(chǎn)生諧振場。將每個諧振腔設計成在具有波長λ的頻率處諧振,并且陽極表面的周長2πra大于λ。
文檔編號H01J25/50GK1383572SQ01801579
公開日2002年12月4日 申請日期2001年5月21日 優(yōu)先權日2000年6月1日
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