Fremskridt i forskning om elektronacceleration af Terahertz-bølger

For nylig har teamet af Li Ruxin, Tian Ye og Song Liwei fra Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery (SIPM) fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS) gjort vigtige fremskridt inden for elektronacceleration ved terahertz-bølger. Baseret på den nye generation af ultra-intens ultra-kort puls laser integreret eksperimentel enhed af SIPM, brugte teamet ultra-intens ultra-kort laser til at drive silke bølgelederen til at generere millijoule-niveau terahertz overfladebølger, og brugte overfladebølgerne til elektronacceleration, som løste problemerne med højenergi-terahertz-bølgegenerering samt den lave effektivitet af frirum-terahertz-bølge-til-bølgeleder energikobling. Undersøgelsen integrerer generering, transmission og kobling af terahertz-bølge i bølgeleder og realiserer den højeste 1,1 MeV elektronenergiforstærkning og 210 MV/m gennemsnitlig accelerationsgradient i en afstand på 5 mm i bølgelederen, hvilket er næsten en størrelsesorden højere end den nuværende verdensrekord for elektronenergiforstærkning for terahertz-bølgeacceleration og åbner op for en helt ny vej for forskningen af ​​helt optisk integreret elektrongaspedal.
Den miniaturiserede og integrerede elektrongaspedal vil fremme dens anvendelse inden for grænseoverskridende videnskab og teknologi. Brugen af ​​terahertz-bølgedrevet elektronacceleration, som en spirende accelerationsteknologi udviklet i det sidste årti, kan give højere accelerationsgradienter end traditionel RF-acceleration og er en af ​​de pålidelige måder at realisere miniaturiserede, billige accelerationsenheder, som er forventes at udvide brugen af ​​gaspedaler til flere anvendelsesscenarier, herunder små laboratorier, hospitaler og så videre.
Den nuværende udvikling af terahertz-elektronacceleration er baseret på frirum-terahertz-kildeteknologi. Terahertz-bølger genereres, opsamles, transmitteres, polarisationskonverteres og fokuseres derefter på en bølgelederstruktur, der bruges til at accelerere elektronerne. Eksperimentelt, for at maksimere terahertz-accelerationsgradienten inde i bølgelederen, kræves der en terahertz-kilde til at levere nok energi til at kompensere for energitabene fra spredning, refleksion og moduskonvertering i den optiske vej. Almindelige terahertz-kilder, såsom dem, der er baseret på optiske krystaller, kræver normalt opsamling og styring af terahertz-stråling gennem optiske elementer og moduskonvertering gennem segmenterede bølgeplader eller faseforskudte plader, hvilket uundgåeligt resulterer i energitab. Sammenlignet med terahertz-stråling i frit rum giver optiske overfladebølger bundet til overfladen af ​​et medium, såsom overfladeplasmonpolaritoner (SPP'er), en helt ny måde at tænke på terahertz-vejledning og moduskonvertering.
Holdets langsigtede udforskning inden for områderne miniaturiserede laseraccelererede elektronkilder og strålingslyskilder har ført til opdagelsen af ​​en sammenhængende forstærkningsmekanisme for terahertz overflade plasmon polaritoner, som muliggør realiseringen af ​​højeffekt overflade plasmon polaritons kohærente strålingskilder. Baseret på Sommerfeld-bølgeegenskaben for terahertz-overflade-isopolariserede excitationer på aksesymmetriske metalliske cylindriske bølgeledere og på lavdispersionens fundamentale transversale magnetiske (TM)-tilstande, koblede teamet yderligere disse højeffekt-terahertz-overflade-iso-polariserede excitationer direkte til accelererende bølgeleder og opnåede 85 procent koblingseffektivitet, som effektivt kan koble den millijoule-niveau terahertz-energi, der genereres af femtosekund-laser, der pumper den metalliske cylindriske bølgeleder med elektronstrålen, og i sidste ende i 5 mm-længden af ​​elektronen for at opnå den højeste 1,1 MeV energi forstærkning og 210 MV / m af den gennemsnitlige accelerationsgradient, vil være den nuværende internationale terahertz-bølgedrevne elektronenergiforstærkning af de bedste resultater for at forbedre næsten en størrelsesorden.
I fremtiden vil holdet videreudvikle den integrerede optiske elektronaccelerationsteknologi baseret på dette nye skema af terahertz overfladebølge-mode-drevet elektronacceleration og udvide dets krydsanvendelser inden for småskala strålingskilde- og materialedetektion .
De relevante forskningsresultater blev offentliggjort i Nature Photonics under titlen Megaelectronvolt elektronacceleration drevet af terahertz overfladebølger. Forskningen blev udført i samarbejde med Shanghai Institute of Optical Machinery, Beijing University of Aeronautics and Astronautics og Zhangjiang Laboratory. Forskningen blev støttet af Kinas nationale nøgleforsknings- og udviklingsprogram, det strategiske pilotprojekt fra det kinesiske videnskabsakademi (klasse B), Shanghai Basic Research Special Zone Program, National Natural Science Foundation of China, Young Innovators Association af det kinesiske videnskabsakademi og Shanghai Science and Technology Inspiration Star Sail Program.

Figur 1. Skematisk diagram af terahertz overfladebølge-drevet elektronaccelerationseksperiment.

Figur 2: Eksperimentelt målte resultater for maksimal elektronenergiforstærkning

Figur 3. Sammenligning af den elektriske feltstyrke inde i den accelererende bølgeleder (c) i den terahertz-koblede tilstand af frit rum (a) og metal cylindrisk bølgeleder (b)