太赫兹(Terahertz,THz)电磁波是指频率范围在0.1THz~10THz之间,波长介于0.03mm~30mm的电磁波。其又被称为太赫兹波、T射线。由于太赫兹波在电磁波谱中处于特殊的位置,使其拥有高穿透性、瞬态性、低能性和相干性等独特性质,在学术和应用方面有非常巨大的潜力。所以其在生物医、通信、食品安全、公共安全等领域有非常重要的应用成果。太赫兹技术的发展关键之处在于太赫兹辐射源的发展。真空电子辐射源因其效率高,功率大的特点,备受瞩目。然而由于尺度效应,这类器件在从微波频段提升至太赫兹频段的研究中遭遇瓶颈。单一的从缩小器件尺寸上这一方法着手难以提升真空电子辐射源的频率。而Smith-Purcell超辐射效应可以通过辐射出高次谐波这一方法以提升电磁波的频率。为了实现太赫兹真空辐射源的小型化,本文对Smith-Purcell高次谐波超辐射效应进行了理论研究和模拟研究,并搭建了Smith-Purcell超辐射验证实验的实验平台,完成了部分实验工作。其中Smith-Purcell高次谐波超辐射的研究,本文通过理论分析了周期结构的色散特性,调整和优化了结构参数,设计了能够激励SmithPurcell三次谐波超辐射以及四次谐波超辐射的两种平板光栅周期结构。验证实验部分,完成了Smith-Purcell超辐射模拟和实验设计,根据实验设计搭建了实验平台。具体内容如下:(1)Smith-Purcell高次谐波超辐射的理论研究从周期结构的特性出发,通过理论计算推导出了平板光栅的色散方程,分析了平板光栅结构各个参数对其色散曲线的影响。通过调整结构参数,分析了SmithPurcell高次谐波超辐射的机理。(2)Smith-Purcell高次谐波超辐射模拟研究通过调节和优化周期结构的参数,抑制低次谐波超辐射,增强高次谐波超辐射的输出功率。设计了能够激励Smith-Purcell三次谐波超辐射的平板光栅结构、能够激励Smith-Purcell四次谐波超辐射的平板光栅结构以及适用于基于扫描电子束源Smith-Purcell超辐射验证实验的开孔通道光栅结构。(3)Smith-Purcell高次谐波超辐射的实验研究(a)运用实验室的仪器设备,搭建了适用于Smith-Purcell二次谐波超辐射的实验平台。根据Smith-Purcell二次谐波超辐射的模拟数据,将设计好的电子枪加工并组装好。测量了其电子注电流密度和束斑大小。分析了实验失败的原因并对实验方案完成了改进。(b)基于扫描电子束源的Smith-Purcell超辐射的实验研究。将基于该电子枪所设计的高频结构加工,并设计了实验方案及实验所需平台。其中包括位移台,法拉第杯等。