太赫兹科学技术是目前国际上最受关注的学术前沿领域之一,具有重大的科学研究价值,同时对经济发展和国防建设具有的重要意义。太赫兹辐射源是太赫兹科学技术发展的基础。目前,基于电子回旋脉塞机理的回旋器件是毫米波和太赫兹波段输出功率最大的辐射源,在高分辨率雷达、远距离成像、卫星通讯、电子对抗和定向能武器等领域具有广泛的应用价值。本学位论文以发展新型大功率太赫兹真空电子辐射源为目标,对采用准光柱面波导作为高频互作用结构的太赫兹电子回旋脉塞器件进行了较为全面的理论分析和实验研究。主要的研究内容包括以下几个方面:1、对准光波导的电磁特性进行了理论研究,结合电磁场理论和几何光学分析方法,推导和计算了准光波导中的电磁场分布特性、色散特性、模式分布特性以及衍射损耗特性,并与电磁仿真软件的结果进行比对验证,为之后太赫兹准光电子回旋脉塞器件中注-波互作用结构的设计奠定基础。2、基于电子回旋脉塞机理,发展出了一种适用于任意横截面波导的电子回旋脉塞自洽非线性理论;通过编写的数值计算程序,对准光回旋行波管放大器的注波互作用过程进行了理论分析,并说明了电子束参数、速度离散以及镜面间距等因素对输出功率和增益的影响;进一步分析了准光回旋行波管中自激振荡的产生和对应的抑制方法;理论计算结果表明,采用截断结构的多段式互作用结构能够有效的抑制自激振荡,并对行波放大过程的影响不大;采用双截断互作用结构的220GHz准光回旋放大器可获得46.7kW的饱和输出功率,最大增益32dB,对应的3dB带宽为4.8GHz。3、介绍了任意横截面波导回旋振荡器的非线性理论,对多种采用准光波导作为高频互作结构的太赫兹回旋振荡器进行了理论分析;提出了一种调节准光回旋管输出频率的新方法——机械调节谐振腔上下镜面的间距,设计了一种可用于宽频带大功率太赫兹回旋振荡器的频率连续可调的准光谐振腔;计算结果证实了这种新型回旋管频率调节机制具有调节范围宽、频率变化平滑、输出功率大以及调节速度快的特点,基于该方法有望发展出一种宽频带频率连续可调的大功率太赫兹辐射源;对高次谐波准光谐振腔进行了研究,设计了一种400GHz二次谐波准光谐振腔;同时,为了提高太赫兹准光回旋振荡器的工作效率,创新性的提出了一种新型的注波互作用结构——双共焦波导结构,计算结果表明该结构能够大大提高回旋管的工作效率,为高功率太赫兹回旋振荡器的设计提供了一种新的可能。4、为缩短回旋器件的测试周期,搭建了一套太赫兹电子回旋脉塞器件动态测试系统,分别对所研制的太赫兹准光回旋管放大器样管和太赫兹二次谐波准光回旋振荡器样管进行了实验研究;实验中得到了太赫兹准光回旋放大器的零输入稳定条件,而在不稳定条件下实验样管中准光波导TE₀₆模自激振荡可产生频率在205.66²08.97 GHz范围内,最大20k W的输出功率;对所研制太赫兹二次谐波准光回旋振荡器样管的测试结果表明,该样管可稳定工作在准光波导TE_0,11模的二次谐波模式,输出频率395.34 GHz,最大输出功率为6.44 kW,工作效率3.4%,这是目前国际上第一份关于二次谐波准光回旋器件的实验结果。5、分别设计和实验测试了适用于220GHz太赫兹准光回旋放大器的输入耦合结构和输出准光模式变换器;输入耦合结构的设计结果表明,该结构能够成功将矩形波导TE₁₀模转换为共焦波导TE₀₆模,模式变换损耗最小为2.7dB,半功率带宽达到7.1GHz,结合回旋管分析理论,其有效工作带宽为5 GHz,满足准光回旋放大器对工作模式和工作带宽的要求;利用输出场分布测量系统和矢量网络分析仪对输入耦合结构的实验测量结果与仿真结果具有很好的一致性;在实验过程中发现输入结构的S11曲线对准光波导上下镜面的间距非常敏感,提出了一种能够在工程应用中定量检测准光回旋放大器装配精度的方法,有助于提高太赫兹准光器件研制的工艺水平;输出准光模式变换器的设计结果表明,该准光模式变换器能够成功的将共焦波导的TE₀₆模转换为能量集中的准高斯波束,输出场的标量高斯含量在6.5GHz的频率范围内均超过90%,最高可达到97.67%;小功率下的冷测实验结果表明,在至少6GHz的宽带范围内,输出波束的高斯含量均在90%以上,满足太赫兹准光回旋放大器的带宽要求。