Fremgang i forskning på elektronakselerasjon av Terahertz-bølger

Nylig har teamet til Li Ruxin, Tian Ye og Song Liwei fra Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery (SIPM) ved det kinesiske vitenskapsakademiet (CAS) gjort viktige fremskritt innen elektronakselerasjon ved terahertzbølger. Basert på den nye generasjonen av ultra-intens ultra-kort puls laser integrert eksperimentell enhet av SIPM, brukte teamet ultra-intens ultra-kort laser for å drive silke bølgelederen for å generere millijoule-nivå terahertz overflatebølger, og brukte overflatebølgene for elektronakselerasjon, som løste problemene med høyenergi-terahertz-bølgegenerering så vel som den lave effektiviteten til frirom-terahertz-bølge-til-bølgeleder energikobling. Studien integrerer generering, overføring og kobling av terahertz-bølge i bølgeleder, og realiserer den høyeste 1,1 MeV elektronenergiforsterkningen og 210 MV/m gjennomsnittlig akselerasjonsgradient i en avstand på 5 mm i bølgelederen, som er nesten en størrelsesorden høyere enn den nåværende verdensrekorden for elektronenergigevinst for terahertz-bølgeakselerasjon og åpner opp en helt ny vei for forskning på heloptisk integrert elektrongasspedal.
Den miniatyriserte og integrerte elektrongasspedalen vil fremme sin anvendelse innen grensevitenskap og teknologi. Bruken av terahertz-bølgedrevet elektronakselerasjon, som en fremvoksende akselerasjonsteknologi utviklet det siste tiåret, kan gi høyere akselerasjonsgradienter enn tradisjonell RF-akselerasjon, og er en av de pålitelige måtene å realisere miniatyriserte, rimelige akselerasjonsenheter, som er forventes å utvide bruken av gasspedaler til flere bruksscenarier, inkludert småskala laboratorier, sykehus og så videre.
Den nåværende utviklingen av terahertz-elektronakselerasjon er basert på terahertz-kildeteknologi med ledig plass. Terahertz-bølger genereres, samles, overføres, polarisasjonskonverteres og fokuseres deretter på en bølgelederstruktur som brukes til å akselerere elektronene. Eksperimentelt, for å maksimere terahertz-akselerasjonsgradienten inne i bølgelederen, kreves det en terahertz-kilde for å gi nok energi til å kompensere for energitapene fra spredning, refleksjon og moduskonvertering i den optiske banen. Vanlige terahertz-kilder, som de som er basert på optiske krystaller, krever vanligvis innsamling og føring av terahertz-stråling gjennom optiske elementer og moduskonvertering gjennom segmenterte bølgeplater eller faseforskyvede plater, noe som uunngåelig resulterer i energitap. Sammenlignet med terahertz-stråling i fritt rom, gir optiske overflatebølger bundet til overflaten av et medium, slik som overflateplasmonpolaritoner (SPP), en helt ny måte å tenke på terahertz-veiledning og moduskonvertering.
Teamets langsiktige utforskning innen feltene miniatyriserte laserakselererte elektronkilder og strålingslyskilder har ført til oppdagelsen av en koherent forsterkningsmekanisme for terahertz overflate plasmon polaritoner, som muliggjør realisering av høyeffekt overflate plasmon polaritons koherente strålingskilder. Basert på Sommerfeld-bølgeegenskapen til terahertz-overflate-isopolariserte eksitasjoner på aksesymmetriske metalliske sylindriske bølgeledere, og på lavdispersjons fundamentale transversale magnetiske (TM) moduser, koblet teamet videre disse høyeffekt-terahertz-overflate-iso-polariserte eksitasjonene direkte til akselererende bølgeleder, og oppnådde 85 prosent koblingseffektivitet, som effektivt kan koble millijoule-nivå terahertz-energien generert av femtosekund-laser som pumper den metalliske sylindriske bølgelederen med elektronstrålen, og til slutt i 5 mm-lengden til elektronet for å oppnå den høyeste 1,1 MeV-energien gevinst og 210 MV / m av den gjennomsnittlige akselerasjonsgradienten, vil være den gjeldende internasjonale terahertz-bølgedrevne elektronenergiforsterkningen av de beste resultatene for å forbedre nesten en størrelsesorden.
I fremtiden vil teamet videreutvikle den integrerte all-optiske elektronakselerasjonsteknologien basert på dette nye skjemaet med terahertz overflatebølgemodus-drevet elektronakselerasjon, og utvide dets kryssapplikasjoner innen småskala strålingskilder og materialdeteksjon .
De relevante forskningsresultatene ble publisert i Nature Photonics under tittelen Megaelectronvolt elektronakselerasjon drevet av terahertz overflatebølger. Forskningen ble gjort i samarbeid med Shanghai Institute of Optical Machinery, Beijing University of Aeronautics and Astronautics og Zhangjiang Laboratory. Forskningen ble støttet av det nasjonale nøkkelforsknings- og utviklingsprogrammet i Kina, det strategiske pilotprosjektet til det kinesiske vitenskapsakademiet (klasse B), Shanghai Basic Research Special Zone Program, National Natural Science Foundation of China, Young Innovators Association av det kinesiske vitenskapsakademiet, og Shanghai Science and Technology Inspiration Star Sail Program.

Figur 1. Skjematisk diagram av terahertz overflatebølgedrevet elektronakselerasjonseksperiment.

Figur 2: Eksperimentelt målte resultater for maksimal elektronenergiforsterkning

Figur 3. Sammenligning av den elektriske feltstyrken inne i den akselererende bølgelederen (c) i den terahertz-koblede tilstanden av ledig plass (a) og metall sylindrisk bølgeleder (b)