Прогресс в исследованиях по ускорению электронов терагерцовых волн

Недавно команда Ли Руксиня, Тянь Е и Сун Ливэй из Шанхайского института оптики и точного машиностроения (SIPM) Китайской академии наук (CAS) добилась важного прогресса в области ускорения электронов на терагерцовых волнах. Основываясь на новом поколении ультраинтенсивного ультракороткоимпульсного лазерного интегрированного экспериментального устройства SIPM, команда использовала сверхинтенсивный ультракороткий лазер для возбуждения шелкового волновода для генерации поверхностных волн миллиджоулевого уровня в терагерцовом диапазоне, а также использовала поверхностные волны для ускорение электронов, которое решило проблемы генерации высокоэнергетических терагерцовых волн, а также низкую эффективность связи энергии терагерцовых волн с волноводами в свободном пространстве. Исследование объединяет генерацию, передачу и передачу терагерцовой волны в волновод и реализует самый высокий прирост энергии электронов 1,1 МэВ и средний градиент ускорения 210 МВ/м на расстоянии 5 мм в волноводе, что почти на порядок выше. чем текущий мировой рекорд по увеличению энергии электронов для ускорения терагерцовых волн, и открывает совершенно новый путь для исследования полностью оптической интегрированной электронной педали газа.
Миниатюрная и интегрированная электронная педаль газа будет способствовать ее применению в передовой науке и технике. Использование ускорения электронов с помощью терагерцовой волны в качестве новой технологии ускорения, разработанной в последнее десятилетие, может обеспечить более высокие градиенты ускорения, чем традиционное радиочастотное ускорение, и является одним из надежных способов реализации миниатюрных и недорогих ускорительных устройств, которые ожидается, что использование педалей газа расширится до большего количества сценариев применения, включая небольшие лаборатории, больницы и т. д.
Текущая разработка терагерцового ускорения электронов основана на технологии терагерцового источника в свободном пространстве. Терагерцовые волны генерируются, собираются, передаются, преобразуются в поляризацию, а затем фокусируются на волноводной структуре, используемой для ускорения электронов. Экспериментально, чтобы максимизировать градиент терагерцового ускорения внутри волновода, требуется источник терагерцового диапазона, обеспечивающий достаточно энергии для компенсации потерь энергии из-за рассеяния, отражения и преобразования мод на оптическом пути. Обычные источники терагерцового излучения, например, основанные на оптических кристаллах, обычно требуют сбора и направления терагерцового излучения через оптические элементы и преобразования мод через сегментированные волновые пластины или пластины с фазовым сдвигом, что неизбежно приводит к потерям энергии. По сравнению с терагерцовым излучением в свободном пространстве оптические поверхностные волны, связанные с поверхностью среды, такие как поверхностные плазмонные поляритоны (ППП), открывают совершенно новый взгляд на терагерцовое наведение и преобразование мод.
Многолетние исследования группы в области миниатюрных лазерных источников ускоренных электронов и источников радиационного света привели к открытию механизма когерентного усиления терагерцовых поверхностных плазмон-поляритонов, который позволяет реализовать мощные источники когерентного излучения поверхностных плазмон-поляритонов. Основываясь на волновых свойствах Зоммерфельда терагерцевых поверхностных изополяризованных возбуждений в осесимметричном металлическом цилиндрическом волноводе и на фундаментальных поперечных магнитных (TM) модах с низкой дисперсией, команда дополнительно соединила эти мощные терагерцовые поверхностные изополяризованные возбуждения непосредственно с ускоряющий волновод и достиг 85-процентной эффективности связи, что позволяет эффективно связывать терагерцовую энергию миллиджоулевого уровня, генерируемую фемтосекундным лазером, накачивающим металлический цилиндрический волновод электронным лучом, и, в конечном итоге, на длине электрона 5 мм для получения максимальной энергии 1,1 МэВ. усиление и 210 МВ / м среднего градиента ускорения, будут текущим международным терагерцевым волновым усилением энергии электронов с лучшими результатами для повышения почти на порядок.
В будущем команда продолжит разработку интегрированной полностью оптической технологии ускорения электронов, основанной на этой новой схеме ускорения электронов, управляемой модой терагерцовой поверхностной волны, и расширит ее перекрестное применение в области мелкомасштабных источников излучения и обнаружения материалов. .
Соответствующие результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Photonics под заголовком «Мегаэлектронвольтное ускорение электронов, управляемое терагерцовыми поверхностными волнами». Исследование проводилось в сотрудничестве с Шанхайским институтом оптической техники, Пекинским университетом аэронавтики и космонавтики и лабораторией Чжанцзян. Исследование было поддержано Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая, Стратегическим пилотным проектом Китайской академии наук (класс B), Шанхайской специальной программой фундаментальных исследований, Национальным фондом естественных наук Китая, Ассоциацией молодых новаторов. Китайской академии наук и Шанхайской программы «Звездный парус вдохновения в области науки и технологий».

Рисунок 1. Принципиальная схема эксперимента по ускорению электронов терагерцовой поверхностной волной.

Рисунок 2. Экспериментально измеренные результаты максимального увеличения энергии электронов.

Рис. 3. Сравнение напряженности электрического поля внутри ускоряющего волновода (в) в терагерцовом состоянии свободного пространства (а) и металлического цилиндрического волновода (б)