Прогрес у дослідженнях прискорення електронів терагерцових хвиль

Нещодавно команда Li Ruxin, Tian Ye та Song Liwei з Шанхайського інституту оптики та точного машинобудування (SIPM) Китайської академії наук (CAS) досягла важливих успіхів у галузі прискорення електронів на хвилях терагерцового діапазону. Базуючись на новому поколінні інтегрованого експериментального пристрою ультраінтенсивного ультракороткого імпульсного лазера SIPM, команда використовувала ультраінтенсивний ультракороткий лазер для керування шовковим хвилеводом для генерування терагерцових поверхневих хвиль на рівні міліджоулів, а також використовувала поверхневі хвилі для прискорення електронів, що вирішило проблеми генерації терагерцової хвилі високої енергії, а також низьку ефективність зв’язку енергії терагерцової хвилі у вільному просторі з хвилеводом. Дослідження об’єднує генерацію, передачу та зв’язок терагерцової хвилі з хвилеводом і реалізує найвищий приріст енергії електронів 1,1 МеВ і середній градієнт прискорення 210 МВ/м на відстані 5 мм у хвилеводі, що майже на порядок вище. ніж поточний світовий рекорд приросту енергії електронів для прискорення терагерцової хвилі та відкриває абсолютно новий шлях для дослідження повністю оптичної інтегрованої педалі електронного газу.
Мініатюрна та інтегрована педаль електронного газу сприятиме її застосуванню в передовій науці та техніці. Використання терагерцевої хвилі прискорення електронів, як нової технології прискорення, розробленої в останнє десятиліття, може забезпечити вищі градієнти прискорення, ніж традиційне радіочастотне прискорення, і є одним із надійних способів реалізації мініатюрних недорогих пристроїв прискорення, які є Очікується, що використання педалей газу пошириться на більшу кількість сценаріїв застосування, включаючи невеликі лабораторії, лікарні тощо.
Поточна розробка терагерцевого прискорення електронів базується на технології терагерцевого джерела у вільному просторі. Терагерцові хвилі генеруються, збираються, передаються, поляризація перетворюється, а потім фокусується на хвилевідній структурі, яка використовується для прискорення електронів. Експериментально, щоб максимізувати градієнт прискорення терагерцового діапазону всередині хвилеводу, потрібне джерело терагерцового діапазону, щоб забезпечити достатню кількість енергії для компенсації втрат енергії від розсіювання, відбиття та перетворення мод на оптичному шляху. Звичайні терагерцові джерела, наприклад ті, що базуються на оптичних кристалах, зазвичай вимагають збору та направлення терагерцового випромінювання через оптичні елементи та перетворення мод через сегментовані хвильові пластини або пластини зі зсувом по фазі, що неминуче призводить до втрати енергії. У порівнянні з терагерцевим випромінюванням у вільному просторі, оптичні поверхневі хвилі, пов’язані з поверхнею середовища, наприклад поверхневі плазмон-поляритони (SPP), забезпечують абсолютно новий спосіб уявлення про терагерцеве наведення та перетворення мод.
Тривалі дослідження команди в галузі мініатюрних джерел лазерного прискорення електронів і джерел радіаційного світла привели до відкриття механізму когерентного підсилення для терагерцових поверхневих плазмон-поляритонів, що дозволяє реалізувати потужні джерела когерентного випромінювання поверхневих плазмон-поляритонів. Ґрунтуючись на властивості хвилі Зоммерфельда терагерцевих поверхневих ізополяризованих збуджень на осесиметричному металевому циліндричному хвилеводі та на фундаментальних поперечних магнітних (ТМ) модах з низькою дисперсією, команда додатково поєднала ці потужні терагерцові поверхневі ізополяризовані збудження безпосередньо з прискорювального хвилеводу та досягла 85-відсоткової ефективності зв’язку, яка може ефективно поєднувати терагерцову енергію на рівні міліджоулів, що генерується фемтосекундним лазером, який накачує металевий циліндричний хвилевід електронним променем, і, зрештою, у довжині електрона 5 мм, щоб отримати найвищу енергію 1,1 МеВ. посилення та 210 МВ/м середнього градієнта прискорення, буде поточним міжнародним терагерцевим хвильовим приростом енергії електронів із найкращими результатами для підвищення майже на порядок величини.
У майбутньому команда буде розвивати інтегровану повністю оптичну технологію прискорення електронів, засновану на цій новій схемі прискорення електронів, керованої модою поверхневої хвилі терагерцового діапазону, і розширюватиме її перехресне застосування в областях маломасштабного джерела випромінювання та виявлення матеріалів. .
Відповідні результати дослідження були опубліковані в журналі Nature Photonics під назвою «Мегаелектронвольтне прискорення електронів, кероване терагерцевими поверхневими хвилями». Дослідження проводилося у співпраці з Шанхайським інститутом оптичних машин, Пекінським університетом аеронавтики та астронавтики та лабораторією Чжанцзян. Дослідження було підтримано Національною ключовою програмою досліджень і розвитку Китаю, Стратегічним пілотним проектом Академії наук Китаю (Клас B), Програмою спеціальної зони фундаментальних досліджень Шанхаю, Національним фондом природничих наук Китаю, Асоціацією молодих інноваторів Академії наук Китаю та Шанхайської науково-технічної програми "Зоряне вітрило".

Малюнок 1. Схема експерименту з прискоренням електронів, керованого поверхневою хвилею терагерцового діапазону.

Рисунок 2: Експериментально виміряні результати максимального посилення енергії електронів

Рисунок 3. Порівняння напруженості електричного поля всередині прискорювального хвилеводу (в) у терагерцовому стані вільного простору (а) та металевого циліндричного хвилеводу (б)