CH668865A5

CH668865A5 - OPEN, QUASI-OPTICAL RESONATOR FOR ELECTROMAGNETIC MILLIMETER AND SUBMILLIMETER SHAFTS.

Info

Publication number: CH668865A5
Application number: CH509685A
Authority: CH
Inventors: Bernhard Isaak; Andre Perrenoud; Minh Quang Tran
Original assignee: En Physiquedes Plasmas Crpp Ce
Priority date: 1985-11-29
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1989-01-31
Also published as: EP0224234B1; DE3685556D1; ES2033232T3; EP0224234A2; GR3005597T3; EP0224234A3; JPS62222546A

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft einen offenen, quasi-optischen Resonator für elektromagnetische Millimeter- und Submillimeterwellen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to an open, quasi-optical resonator for electromagnetic millimeter and submillimeter waves according to the preamble of claim 1.

Ein solcher Resonator findet vorzugsweise Verwendung in einer Mikrowellenquelle, welche unter dem Begriff quasi-opti-sches Gyrotron bekannt und beispielsweise in einem Artikel von T.A. Hargeaves et al., Int. J. Electronics 57, 977 (1984) oder auch in einem Artikel A. Perrenoud et al., Int. J. Electronics 57, 985 (1984) beschrieben ist. Such a resonator is preferably used in a microwave source, which is known under the term quasi-optical gyrotron and, for example, in an article by T.A. Hargeaves et al., Int. J. Electronics 57, 977 (1984) or also in an article A. Perrenoud et al., Int. J. Electronics 57, 985 (1984).

In dem in den Artikeln beschriebenen Gyrotron durchsetzt ein von einer Elektronenkanone erzeugter Hochenergieelektro-nenstrahl den genannten Resonator in der Mitte zwischen den beiden Hohlspiegeln. Aufgrund eines parallel zur Elektronen-strahlachse orientierten starken Magnetfeldes bewegen sich die Elektronen auf spiralförmigen Bahnen mit einer der Zyklotronfrequenz entsprechenden Umlauffrequenz. Diese ist direkt proportional zur Stärke des Magnetfeldes. Bei geeigneter Wahl der Magnetfeldstärke regen die spiralenden Elektronen im Resonator die gewünschten elektromagnetischen Wellen im Millimeteroder Submillimeterbereich an. Diese werden aus dem Resonator ausgekoppelt und dem Ausgang des Gyrotrons zugeführt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet wird die Kernfusion sein, wo die Energie der Wellen zur Heizung des Fusionsplasmas dienen soll. In the gyrotron described in the articles, a high-energy electron beam generated by an electron gun passes through the resonator in the middle between the two concave mirrors. Due to a strong magnetic field oriented parallel to the electron beam axis, the electrons move on spiral tracks with an orbital frequency corresponding to the cyclotron frequency. This is directly proportional to the strength of the magnetic field. With a suitable choice of magnetic field strength, the spiraling electrons in the resonator excite the desired electromagnetic waves in the millimeter or submillimeter range. These are decoupled from the resonator and fed to the output of the gyrotron. An important area of application will be nuclear fusion, where the energy of the waves is used to heat the fusion plasma.

Im allgemeinen entstehen im Resonator TEMmnp-Moden. Die Indizes m und n bezeichnen Transversalmoden, während p für Longitudinalmoden steht (vgl. auch H. Kogelnik, 1966, Modes in Optical Resonators; Lasers, Vol. 1, herausgegeben von A.K. Levine, New York: Marcel Dekker, S. 295). Normalerweise werden in einem Gyrotron nur die TEM00p-Moden selektiert, weil sie die geringsten Diffraktionsverluste aufweisen. Im folgenden sollen der Einfachheit halber auch nur solche Moden betrachtet werden. Gleichwohl gelten alle nachstehenden Aussagen auch für die allgemeineren TEMmnp-Moden. Damit die thermische Belastung der Hohlspiegel in einem Hoch-energie-Gyrotron nicht zu gross wird (die Feldleistung im Resonator kann einige Megawatt betragen), müssen deren Abmessungen wesentlich grösser als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung sein. Ein praktischer Wert für p liegt im Bereich zwischen 40 und 400. Das hat allerdings zur Folge, dass der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden TEMoop und TEM<x>(p+i) wesentlich kleiner ist als das Instabilitäts-Frequenzband des Gyrotrons. Das wirft das Problem einer Moden-Konkurrenz auf [vgl. z.B. Bondeson et al., Int. J. In-frared Millimeter Waves 9, 309 (1984)]. In general, TEMmnp modes arise in the resonator. The indices m and n denote transverse modes, while p stands for longitudinal modes (see also H. Kogelnik, 1966, Modes in Optical Resonators; Lasers, Vol. 1, edited by A.K. Levine, New York: Marcel Dekker, p. 295). Usually only the TEM00p modes are selected in a gyrotron because they have the lowest diffraction losses. For the sake of simplicity, only such modes will be considered below. Nevertheless, all of the following statements also apply to the more general TEMmnp modes. So that the thermal load on the concave mirror in a high-energy gyrotron does not become too great (the field power in the resonator can be a few megawatts), its dimensions must be significantly greater than the wavelength of the electromagnetic radiation. A practical value for p lies in the range between 40 and 400. However, this has the consequence that the frequency spacing between two adjacent modes TEMoop and TEM <x> (p + i) is significantly smaller than the instability frequency band of the gyrotron. This poses the problem of fashion competition [cf. e.g. Bondeson et al., Int. J. In-frared Millimeter Waves 9, 309 (1984)].

Nun ist für die meisten Anwendungen die Reinheit der Moden des Gyrotrons von ausschlaggebender Bedeutung. Now, the purity of the modes of the gyrotron is of crucial importance for most applications.

Numerische Berechnungen zeigen, dass unter geeigneten Bedingungen der quasi-optische Resonator auf einer longitudina-len Mode betrieben werden kann. Bei der Wahl eines günstigeren inhomogenen Magnetfeldprofils ist dies nicht mehr der Fall. Die Effizienz des Energieübertrags aus dem Elektronenstrahl auf das elektromagnetische Feld wird dann wegen der nichtlinearen Modenkonkurrenz herabgesetzt. Numerical calculations show that the quasi-optical resonator can be operated in a longitudinal mode under suitable conditions. This is no longer the case when choosing a cheaper inhomogeneous magnetic field profile. The efficiency of the energy transfer from the electron beam to the electromagnetic field is then reduced due to the nonlinear mode competition.

Die Erfindung, wie sie im unabhängigen Patentanspruch gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Resonatorstruktur der eingangs genannten Art anzugeben, in welcher eine einzelne, gewünschte Longitudinalmode TEMoop gegenüber ihren benachbarten Moden TEMooq (q = p ± 1, p ±2, ...) bevorzugt und effizient angeregt wird. The invention, as characterized in the independent claim, solves the problem of specifying a resonator structure of the type mentioned in the introduction, in which a single, desired longitudinal mode TEMoop compared to its neighboring modes TEMooq (q = p ± 1, p ± 2, ... ) is preferred and stimulated efficiently.

Moden sind stehende Wellen im Resonator. Für sie sind die Oberflächen der Hohlspiegel Flächen gleicher Phase. Zudem verschwindet auf ihnen die tangentiale Komponente des elektrischen Feldvektors. Die Oberflächen der Hohlspiegel sind daher Knotenflächen für die Moden. Beim erfindungsgemässen Resonator weisen die Hohlspiegel mehrere stufenförmig gegeneinander versetzte Spiegelflächen auf. In einer solchen Resonator5 Modes are standing waves in the resonator. For them, the surfaces of the concave mirrors are surfaces of the same phase. In addition, the tangential component of the electric field vector disappears on them. The surfaces of the concave mirrors are therefore node surfaces for the modes. In the case of the resonator according to the invention, the concave mirrors have a plurality of mirror surfaces offset in a step-like manner. In such a resonator5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

668 865 668 865

struktur bilden sich bevorzugt solche Moden aus, für die der stufenförmige Versatz der einzelnen Spiegelflächen gegeneinander annähernd einem ganzen Vielfachen ihrer halben Wellenlänge entspricht und für die deshalb sämtliche Spiegelflächen Knotenflächen sind. In dem nach der Erfindung die einzelnen Spiegelflächen um ein oder mehrere ganze Vielfache der halben Wellenlänge A,p/2 der gewünschten TEMoop-Mode versetzt sind, gilt diese Bedingungen gerade für die gewünschte Mode. Sie gilt dagegen nicht für die zur gewünschten Mode benachbarten Moden TEMooq. Diese erleiden im erfindungsgemässen Resonator höhere Diffraktionsverluste als in einem Resonator ohne Stufenstruktur. Durch die höheren Diffraktionsverluste ihrer benachbarten Moden TEM00q wird die gewünschte Mode TEM00p im Resonator nach der Erfindung bevorzugt angeregt. Zudem ist die Anregung der gewünschten Mode TEMoop im erfindungsgemässen Resonator wesentlich effizienter als in einem Resonator ohne Stufenstruktur. Such modes are preferably formed for the structure for which the step-like offset of the individual mirror surfaces relative to one another approximately corresponds to a whole multiple of half their wavelength and for which all mirror surfaces are therefore node surfaces. In that, according to the invention, the individual mirror surfaces are offset by one or more whole multiples of half the wavelength A, p / 2 of the desired TEMoop mode, these conditions apply precisely to the desired mode. However, it does not apply to the TEMooq modes adjacent to the desired mode. These suffer higher diffraction losses in the resonator according to the invention than in a resonator without a step structure. Due to the higher diffraction losses of its neighboring modes TEM00q, the desired mode TEM00p is preferably excited in the resonator according to the invention. In addition, the excitation of the desired mode TEMoop in the resonator according to the invention is considerably more efficient than in a resonator without a step structure.

Optimale Ergebnisse können durch Verwendung der in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichneten Bemessungsvorschriften erzielt werden. Um genügend grosse Diffraktionsverluste der benachbarten Moden zu erreichen, sollte der totale stufenförmige Versatz der einzelnen Spiegelflächen zwischen 6 und 10 halben Wellenlängen \/2 der gewünschten TEMoop-Mode betragen. Die Flächen der einzelnen Spiegelflächen sind relativ zueinander mit Vorteil so bemessen, dass auf sie annähernd der gleiche Energiefluss entfällt. Für die Auskopplung der elektromagnetischen Wellen können Schlitze vorgesehen werden. Optimal results can be achieved by using the dimensioning rules marked in the dependent claims. In order to achieve sufficiently large diffraction losses of the neighboring modes, the total step-like offset of the individual mirror surfaces should be between 6 and 10 half wavelengths / 2 of the desired TEMoop mode. The areas of the individual mirror areas are advantageously dimensioned relative to one another such that they have approximately the same energy flow. Slots can be provided for coupling out the electromagnetic waves.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise erläutert. In the following, embodiments of the invention are explained for example with reference to the drawing.

Es zeigt: It shows:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Resonators nach der Erfindung in nicht massstabsgetreuer, geschnittener Darstellung mit zwei Hohlspiegeln mit lediglich jeweils zwei gegeneinander versetzten Spiegelflächen, 1 shows a preferred embodiment of a resonator according to the invention in a sectional view, not to scale, with two concave mirrors, each with only two mutually offset mirror surfaces,

Fig. 2 die Aufsicht auf einen der Hohlspiegel nach Fig. 1, 2 shows the top view of one of the concave mirrors according to FIG. 1,

Fig. 3 in 6 Diagrammen a) bis f) die zeitliche Entwicklung der Modenkonkurrenz in einem Resonator nach der Art von Fig. 1 und Fig. 3 in 6 diagrams a) to f) the temporal development of the mode competition in a resonator of the type of Fig. 1 and

Fig. 4 in geschnittener Darstellung einen Hohlspiegel für einen Resonator nach der Erfindung mit drei gegeneinander versetzten Spiegelflächen. Fig. 4 in a sectional view of a concave mirror for a resonator according to the invention with three mutually offset mirror surfaces.

Der in Fig. 1 dargestellte, offene, quasi-optische Resonator besteht aus zwei identischen, einander gegenüberliegenden, runden Hohlspiegeln 1 und 2. Diese weisen jeweils zwei stufenförmig gegeneinander versetzte Spiegelflächen 1.1 und 1.2 bzw. 2.1 und 2.2 auf. Die Spiegelflächen 1.1, 1.2, 2.1 und 2.2 sind sphärisch gekrümmt mit annähernd gleichen Krümmungsradien R und sind Knotenflächen der sich im Resonator ausbildenden, stehenden Wellen angepasst. Die Spiegelflächen 1.1 und 1.2 einerseits und die Spiegelflächen 2.1 und 2.2 andererseits sind konzentrisch zueinander angeordnet. Die inneren Spiegelflächen 1.1 und 2.1 sind als durchgehende, zentrale Spiegelflächen ausgebildet. Sie sind von den äusseren Spiegelflächen 1.2 und 2.2 ringförmig umgeben. Der die inneren Spiegelflächen 1.1 und 2.1 begrenzende Radius ru bzw. r2.i entspricht dem inneren Radius der äusseren Spiegelflächen 1.2 bzw. 2.2. In den äusseren Spiegelflächen 1.2 und 2.2 sind ringförmige Schlitze 1.3 und 2.3 vorgesehen. Diese dienen zur Auskopplung der elektromagnetischen Wellen aus dem Resonator. Die Schlitze 1.3 und 2.3 brauchen nicht in sich geschlossen zu sein. Sie können von Stegen unterbrochen sein, wie dies aus der in Fig. 2 dargestellten Aufsicht auf einen der Hohlspiegel 1 oder 2 deutlich wird. Über die Stege ergibt sich in vorteilhafter Weise eine mechanische Verbindung zwischen dem innerhalb und ausserhalb der Schlitze liegenden Spiegelbereich. Die Bezugszeichen in Fig. 2 stimmen mit dem entsprechenden Bezugszeichen von Fig. 1 überein. The open, quasi-optical resonator shown in FIG. 1 consists of two identical, opposed, round concave mirrors 1 and 2. These each have two mirror surfaces 1.1 and 1.2 or 2.1 and 2.2, which are staggered with respect to one another. The mirror surfaces 1.1, 1.2, 2.1 and 2.2 are spherically curved with approximately the same radii of curvature R and are adapted to the node surfaces of the standing waves that form in the resonator. The mirror surfaces 1.1 and 1.2 on the one hand and the mirror surfaces 2.1 and 2.2 on the other hand are arranged concentrically to one another. The inner mirror surfaces 1.1 and 2.1 are designed as continuous, central mirror surfaces. They are surrounded by the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2 in a ring. The radius ru or r2.i delimiting the inner mirror surfaces 1.1 and 2.1 corresponds to the inner radius of the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2. Annular slots 1.3 and 2.3 are provided in the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2. These are used to decouple the electromagnetic waves from the resonator. The slots 1.3 and 2.3 need not be closed. They can be interrupted by webs, as is evident from the view of one of the concave mirrors 1 or 2 shown in FIG. 2. The webs advantageously result in a mechanical connection between the mirror region lying inside and outside the slots. The reference symbols in FIG. 2 correspond to the corresponding reference symbols in FIG. 1.

Damit sich im Resonator zwischen den Hohlspiegeln 1 und 2 die gewünschte Mode TEMoop gegenüber ihren benachbarten Moden TEMooq bevorzugt ausbilden kann, muss der stufenförmige Versatz h der Spiegelflächen 1.1 und 1.2 einerseits bzw. der Spiegelflächen 2.1 und 2.2 andererseits gegeneinander, wie bereits erläutert, wenigstens annähernd einem oder mehreren ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge Xp/2 der gewünschten Mode betragen. Vorzugsweise beträgt er zwischen 6 Xp/2 und 10 Xp/2. So that the desired mode TEMoop can form preferentially in the resonator between the concave mirrors 1 and 2, compared to their neighboring modes TEMooq, the step-shaped offset h of the mirror surfaces 1.1 and 1.2 on the one hand or the mirror surfaces 2.1 and 2.2 on the other hand, at least approximately, as already explained one or more whole multiples of half the wavelength Xp / 2 of the desired mode. It is preferably between 6 Xp / 2 and 10 Xp / 2.

Der Radius a der Hohlspiegel 1 und 2 sowie ihr gegenseitiger Abstand d sollte eine Fresnelzahl N (definiert als a2/(Xpd) zwischen 0.5 und 10 ergeben. Weiter sollte der gegenseitige Abstand d der Hohlspiegel 1 und 2 grösser als 50 Xp sein. Er wird bezüglich der Grundflächen der äusseren Spiegelflächen 1.2 bzw. 2.2 genommen. The radius a of the concave mirrors 1 and 2 and their mutual distance d should give a Fresnel number N (defined as a2 / (Xpd) between 0.5 and 10. Furthermore, the mutual distance d of the concave mirrors 1 and 2 should be greater than 50 Xp. It will taken with respect to the base areas of the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2.

Die Flächen der Spiegelflächen 1.1 und 1.2 bzw. 2.1 und 2.2 sind relativ zueinander so bemessen, dass auf sie jeweils annähernd der gleiche Energiefluss entfällt. Dabei sind auch die Schütze 1.3 bzw. 2.3 sowie ihre durch die Radien ri.3.1 und ri.3.2 bzw. r2.3.i und r2.3.2 bestimmte Breite und Lage in den äusseren Spiegelflächen 1.2 bzw. 2.2 zu berücksichtigen. Die Energieverteilung auf den Spiegeln ist durch eine gauss'sche Verteilung gegeben, so dass der Energiefluss im Zentrum der Hohlspiegel 1, 2 grösser ist als am Rand. Deshalb sind die äusseren Spiegelflächen 1.2 bzw. 2.2 flächenmässig grösser als die zentralen Spiegelflächen 1.1 bzw. 2.1. The surfaces of the mirror surfaces 1.1 and 1.2 or 2.1 and 2.2 are dimensioned relative to one another in such a way that they each have approximately the same energy flow. The contactors 1.3 and 2.3 as well as their width and position in the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2 determined by the radii ri.3.1 and ri.3.2 or r2.3.i and r2.3.2 must also be taken into account. The energy distribution on the mirrors is given by a Gaussian distribution, so that the energy flow in the center of the concave mirror 1, 2 is greater than at the edge. Therefore, the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2 are larger in area than the central mirror surfaces 1.1 and 2.1.

Grundsätzlich kann für jede gewünschte Resonanzfrequenz die Resonatorgeometrie so gewählt werden, dass man ein Optimum bezüglich Diffraktionsverluste und Auskopplung der Energie durch die Schlitze erreicht. Als Beispiel sei die Resonanzfrequenz von 120 GHz mit der entsprechenden Wellenlänge von 2,5 mm betrachtet. Dies entspricht für den Resonator mit den nachfolgend optimierten Grössen einer TEMoop mit p = 287. Für die die Resonatorgeometrie festlegenden Grössen ergeben sich in diesem Fall die folgenden bevorzugten Werte: In principle, the resonator geometry can be selected for each desired resonance frequency in such a way that an optimum is achieved with regard to diffraction losses and the coupling of the energy through the slots. As an example, consider the resonance frequency of 120 GHz with the corresponding wavelength of 2.5 mm. For the resonator with the sizes optimized below, this corresponds to a TEMoop with p = 287. In this case, the following preferred values result for the sizes defining the resonator geometry:

d d

= 360 mm = 360 mm

a a

= 70 mm = 70 mm

(03 (03

= 14,1°) = 14.1 °)

R R

= 288 mm = 288 mm

h H

= 10,033 mm = 10.033 mm

ru bzw. r2.i ru or r2.i

= 12 mm = 12 mm

(0i (0i

= 2,4°) = 2.4 °)

ri.3.1 bzw. r2.3.i ri.3.1 or r2.3.i

= 26 mm = 26 mm

(O2.1 (O2.1

= 5,1°) = 5.1 °)

n.3.2 bzw. r2.3.2 n.3.2 or r2.3.2

= 43,5 mm = 43.5 mm

(O2.2 (O2.2

= 8,7°) = 8.7 °)

Im gewählten Beispiel beträgt der gegenseitige Versatz h der Spiegelflächen 1.1 und 1.2 bzw. 2.1 und 2.2 etwa 8 Xp/2 und der gegenseitige Abstand d der Hohlspiegel 1 und 2 voneinander 144 Xp. Die Zahl N aus der Beziehung N = a2Apd beträgt hier 5,44. Vorstehend sind hinter den Zahlenangaben für sämtliche Radien noch die Polarwinkel 0i, 02.1, 62.2 und 83 angegeben, unter denen die Ränder der sphärisch gekrümmten Spiegelflächen 1.1 und 2.1 bzw. 2.1 und 2.2 sowie die Ränder der Schlitze 1.3 bzw. 2.3 von ihren um h gegeneinander versetzten Krümmungsmittelpunkten aus erscheinen. Für den Hohlspiegel 1 sind diese Polarwinkel sowie die Krümmungsmittelpunkte in Fig. 1 eingezeichnet. Letztere sind mit M1.1 und M1.2 bezeichnet. In the selected example, the mutual offset h of the mirror surfaces 1.1 and 1.2 or 2.1 and 2.2 is approximately 8 Xp / 2 and the mutual distance d of the concave mirrors 1 and 2 from each other is 144 Xp. The number N from the relationship N = a2Apd is 5.44 here. Above the numbers for all radii are the polar angles 0i, 02.1, 62.2 and 83, below which the edges of the spherically curved mirror surfaces 1.1 and 2.1 or 2.1 and 2.2 as well as the edges of the slots 1.3 and 2.3 of their by h against each other offset centers of curvature appear. For the concave mirror 1, these polar angles and the centers of curvature are shown in FIG. 1. The latter are designated M1.1 and M1.2.

Im beispielsweise betrachteten, speziellen Fall ergeben sich folgende Werte für die Diffraktionsverluste der bevorzugten Mode TEM0o287 sowie ihrer benachbarten Moden TEM0o287±1, ...,5: In the special case considered, for example, the following values result for the diffraction losses of the preferred mode TEM0o287 and its neighboring modes TEM0o287 ± 1, ..., 5:

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

668 865 668 865

4 4th

Mode Diffraktions-Verluste in % Mode diffraction losses in%

283 283

51,5 51.5

284 284

33,0 33.0

285 285

17,8 17.8

286 286

7,55 7.55

287 287

jys jys

288 288

8,4 8.4

289 289

22,8 22.8

290 290

46,0 46.0

291 291

57,5 57.5

292 292

57,9 57.9

Fig. 3 zeigt in 6 Diagrammen a) bis f) die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Konkurrenz der Moden 285 bis 289 in ihrer zeitlichen Abfolge innerhalb einer Zeitspanne von etwa 20 usec. In den einzelnen Diagrammen sind entlang der diskreten Abszisse die Moden TEM002S5 bis TEM002S9 aufgetragen. Die Ordinate entspricht jeweils der Effizienz E in % des Energieübertrags vom Elektronenstrahl auf die einzelnen Moden. Die Diagramme a) bis f) geben die Situation im Resonator zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten wieder. Nach einer anfänglichen Konkurrenz sämtlicher Moden (vornehmlich in den Diagrammen a) bis c) setzt sich die gewünschte Mode TEM00287 schliesslich durch und bleibt praktisch als einzige übrig mit 5 einer elektronischen Effizienz von 34%. Eine zu Vergleichszwecken vorgenommene Simulation für einen Resonator ohne Stufenstruktur ergab unter sonst gleichen Bedingungen die Dominanz zweier Moden, nämlich der Moden TEM00285 und TEM0o286 und dies auch nur mit einer elektronischen Effizienz io von 25%. 3 shows in 6 diagrams a) to f) the results of a numerical simulation of the competition of modes 285 to 289 in their chronological order within a period of approximately 20 usec. The modes TEM002S5 to TEM002S9 are plotted along the discrete abscissa in the individual diagrams. The ordinate corresponds to the efficiency E in% of the energy transfer from the electron beam to the individual modes. Diagrams a) to f) show the situation in the resonator at successive times. After an initial competition of all modes (mainly in diagrams a) to c), the desired mode TEM00287 finally prevails and remains practically the only one with 5 an electronic efficiency of 34%. A simulation carried out for comparison purposes for a resonator without a step structure showed the dominance of two modes under otherwise identical conditions, namely the modes TEM00285 and TEM0o286 and this only with an electronic efficiency io of 25%.

Durch die Erfindung können also gewünschte Moden praktisch rein und mit hoher Effizienz erzeugt werden. Desired modes can thus be generated practically pure and with high efficiency by the invention.

Die Hohlspiegel brauchen nach der Erfindung nicht lediglich zwei gegeneinander versetzte Spiegelflächen aufzuweisen. i5 Sie können auch mit drei oder noch mehr gegeneinander versetzten Spiegelflächen versehen sein. Zudem muss die äussere bzw. müssen die äusseren Spiegelflächen gegenüber der zentralen Spiegelfläche sowie gegeneinander nicht, wie im Beispiel von Fig. 1, zurückversetzt sein. Auch eine umgekehrte Verset-20 zung ist möglich, da sie physikalisch im wesentlichen äquivalent ist. Schliesslich sind Schlitze in den Hohlspiegeln zur Auskopplung der elektromagnetischen Wellen nicht die einzige Möglichkeit, sondern die elektromagnetische Leistung könnte, da der Resonator offen ist, durch Diffraktion an den Spiegelrändern 25 in einer geeigneten Weise gesammelt werden. According to the invention, the concave mirrors need not only have two mirror surfaces offset from one another. i5 They can also be provided with three or even more staggered mirror surfaces. In addition, the outer or the outer mirror surfaces need not be set back from the central mirror surface or from one another, as in the example in FIG. 1. A reverse offset is also possible since it is essentially physically equivalent. Finally, slits in the concave mirrors for decoupling the electromagnetic waves are not the only possibility, but the electromagnetic power, since the resonator is open, could be collected in a suitable manner by diffraction at the mirror edges 25.

In Fig. 4 ist ein Hohlspiegel in geschnittener Darstellung mit drei gegeneinander versetzten Spiegelflächen ohne Schlitze dargestellt. Die Spiegelflächen sind in umgekehrter Weise gegeneinander versetzt wie bei den Holspiegeln 1 und 2 nach Fig. 1. In Fig. 4, a concave mirror is shown in section with three mutually offset mirror surfaces without slots. The mirror surfaces are offset from one another in the opposite manner to that of the concave mirrors 1 and 2 according to FIG. 1.

v v

3 Blätter Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

668 865

1. Open, quasi-optical resonator for electronic magnetic millimeter and submillimeter waves with two opposing concave mirrors (1, 2) with an approximately spherical curvature, characterized in that the concave mirror (1, 2) to favor the formation of a single, desired TEMoop- Mode compared to TEMooq modes with q = p ± 1, p ± 2, in each case at least two mirror surfaces offset in steps from one another by one or more whole multiples of half the wavelength Xp / 2 of the desired TEMoop mode (1.1, 1.2 or 2.1, 2.2) have (Fig. 1).

2. Open, quasi-optical resonator according to claim 1, characterized in that the mirror surfaces (1.1, 1.2 or 2.1, 2.2) of the concave mirror (1, 2) which are staggered with respect to one another are arranged concentrically to one another and the innermost mirror surface (1.1 or 2.1) is designed as a continuous central surface (Fig. 1).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Open, quasi-optical resonator according to one of claims 1 or 2, characterized in that in both concave mirrors (1, 2) in one of the mirror surfaces, preferably in an outer (1.2 or 2.2), at least one preferably annular slot ( 1.3 or 2.3) is provided for decoupling the electromagnetic waves (Fig. 1).

4. Open, quasi-optical resonator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the radius of curvature of all mirror surfaces (1.1, 1.2 or 2.1, 2.2) is approximately the same (Fig. 1).

5. Open, quasi-optical resonator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the mutual distance d of the concave mirror (1, 2) and their radius a of the relationship

N = a2 / Xpd are sufficient, where N is a number between 0.5 and 10 (FIG. 1).

6. Open, quasi-optical resonator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the mutual distance d of the concave mirror (1, 2) is greater than 50 Xp (Fig. 1).

7. Open, quasi-optical resonator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the surfaces of the individual mirror surfaces (1.1, 1.2 or 2.1, 2.2) are dimensioned relative to one another such that they have approximately the same energy flow ( Fig. 1).

8. Open, quasi-optical resonator according to one of claims 1 to 7, characterized in that the concave mirror (1, 2) each have two step-shaped, preferably by about 6 Xp / 2 to 10 Xp / 2 mutually offset mirror surfaces (1.1, 1.2 or 2.1, 2.2) (Fig. 1).

9. Open, quasi-optical resonator according to one of claims 1 to 8, characterized in that for Xp = 2.5 mm, the distance d of the concave mirror 360 mm, the radius of curvature (R) of the concave mirror (1, 2) 288 mm and the step-like offset (h) of the mirror surfaces (1.1, 1.2 or 2.1, 2.2) is 10.033 mm in each case, that the central mirror surface (1.1 or 2.1) each have a radius (ni or r2.i) of 12 mm and the outer one Mirror surface (1.2 or 2.2) each has the same radius (ri.i or i2.i) as the inner radius and the radius a as the outer radius and that the slot (1.3 or 2.3) in each case in the outer mirror surface (1.2 or 2.2) between a radius (ri.3.i or r2.3.i) of 26 mm and a radius (ri.3.2 or 12.3.2) of 43.5 mm is provided (Fig. 1).

10. Open, quasi-optical resonator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the outer mirror surfaces (1.2 or 2.2) are set back relative to the central mirror surfaces (1.1 or 2.1) (Fig. 1).