Napredak u istraživanju ubrzanja elektrona terahercnih valova

Nedavno je tim koji čine Li Ruxin, Tian Ye i Song Liwei sa Šangajskog instituta za optiku i precizne strojeve (SIPM) Kineske akademije znanosti (CAS) napravio važan napredak u području ubrzanja elektrona na teraherc valovima. Na temelju nove generacije ultra-intenzivnog ultra-kratkog pulsnog lasera integriranog eksperimentalnog uređaja SIPM-a, tim je upotrijebio ultra-intenzivni ultra-kratki laser za pokretanje svilenog valovoda za generiranje terahercnih površinskih valova na razini milijula, a površinske valove koristio je za ubrzanje elektrona, što je riješilo probleme generiranja visokoenergetskih terahercnih valova kao i niske učinkovitosti spajanja energije terahercnog vala i valovoda u slobodnom prostoru. Studija integrira generiranje, prijenos i spajanje terahercnog vala u valovod i ostvaruje najveći dobitak energije elektrona od 1,1 MeV i prosječni gradijent akceleracije od 210 MV/m na udaljenosti od 5 mm u valovodu, što je gotovo red veličine više od trenutnog svjetskog rekorda povećanja energije elektrona za ubrzanje terahercnih valova i otvara potpuno novi put za istraživanje potpuno optički integrirane pedale elektronskog plina.
Minijaturizirana i integrirana pedala za elektronski plin promovirat će svoju primjenu u naprednoj znanosti i tehnologiji. Korištenje akceleracije elektrona vođene terahercnim valovima, kao nove tehnologije akceleracije razvijene u posljednjem desetljeću, može pružiti veće gradijente akceleracije od tradicionalnog RF akceleracije i jedan je od pouzdanih načina za realizaciju minijaturiziranih, jeftinih uređaja za akceleraciju, što je Očekuje se da će proširiti upotrebu papučica gasa na više scenarija primjene, uključujući male laboratorije, bolnice i tako dalje.
Trenutačni razvoj terahercnog ubrzanja elektrona temelji se na tehnologiji izvora teraherca u slobodnom prostoru. Terahertz valovi se generiraju, skupljaju, prenose, polarizacija pretvara, a zatim se fokusiraju na strukturu valovoda koja se koristi za ubrzavanje elektrona. Eksperimentalno, kako bi se maksimizirao gradijent ubrzanja teraherca unutar valovoda, potreban je izvor teraherca da osigura dovoljno energije za kompenzaciju gubitaka energije od raspršenja, refleksije i pretvorbe moda na optičkom putu. Uobičajeni terahercni izvori, poput onih temeljenih na optičkim kristalima, obično zahtijevaju prikupljanje i vođenje terahercnog zračenja kroz optičke elemente i pretvorbu moda kroz segmentirane valne ploče ili fazno pomaknute ploče, što neizbježno rezultira gubitkom energije. U usporedbi s terahercnim zračenjem u slobodnom prostoru, optički površinski valovi vezani za površinu medija, kao što su površinski plazmon polaritoni (SPP), pružaju potpuno novi način razmišljanja o terahercnom vođenju i pretvorbi načina.
Dugoročno istraživanje tima u poljima minijaturiziranih laserski ubrzanih izvora elektrona i izvora svjetlosti zračenja dovelo je do otkrića koherentnog mehanizma pojačanja za terahercne površinske plazmonske polaritone, što omogućuje realizaciju koherentnih izvora zračenja površinskih plazmon polaritona velike snage. Na temelju svojstva Sommerfeldovog vala terahercnih površinskih izopolariziranih pobuda na osnosimetričnom metalnom cilindričnom valovodu i temeljnih transverzalnih magnetskih (TM) modova s ​​niskom disperzijom, tim je dodatno spojio ove terahercne površinske izopolarizirane pobude velike snage izravno s ubrzavajući valovod i postignuta 85-postotna učinkovitost sprezanja, koja može učinkovito spojiti terahercnu energiju na razini milijula ​​generiranu femtosekundnim laserom koji pumpa metalni cilindrični valovod s elektronskim snopom, i konačno u 5 mm duljine elektrona kako bi se dobila najveća energija od 1,1 MeV dobitak i 210 MV/m prosječnog gradijenta ubrzanja, bit će trenutni međunarodni dobitak energije elektrona vođen terahercnim valovima najboljih rezultata za povećanje gotovo reda veličine.
U budućnosti, tim će dalje razvijati integriranu potpuno optičku tehnologiju akceleracije elektrona temeljenu na ovoj novoj shemi akceleracije elektrona vođene modom terahercnog površinskog vala i proširiti njezinu unakrsnu primjenu u poljima izvora zračenja malih razmjera i detekcije materijala .
Relevantni rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Nature Photonics pod naslovom Megaelectronvolt electron acceleration driven by terahertz surface waves. Istraživanje je provedeno u suradnji sa Shanghai Institute of Optical Machinery, Beijing University of Aeronautics and Astronautics i Zhangjiang Laboratory. Istraživanje su podržali Kineski nacionalni ključni istraživački i razvojni program, Strateški pilot projekt Kineske akademije znanosti (razred B), Šangajski program posebne zone temeljnih istraživanja, Nacionalna zaklada za prirodne znanosti Kine, Udruga mladih inovatora Kineske akademije znanosti i Shanghai Science and Technology Inspiration Star Sail Program.

Slika 1. Shematski dijagram eksperimenta akceleracije elektrona potaknutog terahercnim površinskim valom.

Slika 2: Eksperimentalno izmjereni rezultati maksimalnog povećanja energije elektrona

Slika 3. Usporedba jakosti električnog polja unutar ubrzavajućeg valovoda (c) u teraherc spregnutom stanju slobodnog prostora (a) i metalnog cilindričnog valovoda (b)