Напредък в изследването на електронното ускорение на терахерцови вълни

Наскоро екипът на Li Ruxin, Tian Ye и Song Liwei от Шанхайския институт по оптика и прецизни машини (SIPM) на Китайската академия на науките (CAS) постигна важен напредък в областта на ускоряването на електрони при терахерцови вълни. Въз основа на новото поколение интегрирано експериментално устройство с ултра-интензивен ултра-къс импулсен лазер на SIPM, екипът използва ултра-интензивен ултра-къс лазер, за да задвижи копринения вълновод за генериране на терагерцови повърхностни вълни на ниво милиджаул и използва повърхностните вълни за ускоряване на електрони, което реши проблемите с генерирането на високоенергийни терахерцови вълни, както и ниската ефективност на свързването на енергия от терахерцова вълна към вълновод в свободното пространство. Проучването интегрира генерирането, предаването и свързването на терагерцова вълна във вълновода и реализира най-високото усилване на енергията на електроните от 1,1 MeV и 210 MV/m среден градиент на ускорение на разстояние от 5 mm във вълновода, което е почти с порядък по-високо отколкото сегашния световен рекорд за усилване на енергията на електрон за ускоряване на терахерцови вълни и открива съвсем нов път за изследване на изцяло оптичен интегриран педал за електронен газ.
Миниатюрният и интегриран педал за електронен газ ще насърчи приложението му в граничната наука и технологии. Използването на ускоряване на електрони, задвижвано от терагерцови вълни, като нововъзникваща технология за ускоряване, разработена през последното десетилетие, може да осигури по-високи градиенти на ускоряване от традиционното RF ускоряване и е един от надеждните начини за реализиране на миниатюрни устройства за ускоряване с ниска цена, което е се очаква да разшири използването на педалите за газ в повече сценарии на приложение, включително малки лаборатории, болници и т.н.
Настоящото развитие на терахерцовото ускоряване на електрони се основава на технологията за терахерцов източник на свободно пространство. Терахерцовите вълни се генерират, събират, предават, поляризацията се преобразува и след това се фокусира върху вълноводна структура, използвана за ускоряване на електроните. Експериментално, за да се максимизира градиентът на терахерцовото ускорение във вълновода, е необходим терахерцов източник, който да осигури достатъчно енергия, за да компенсира загубите на енергия от разсейване, отражение и преобразуване на мода в оптичния път. Обичайните терахерцови източници, като тези, базирани на оптични кристали, обикновено изискват събиране и насочване на терахерцово лъчение чрез оптични елементи и преобразуване на мода чрез сегментирани вълнови пластини или фазово изместени пластини, което неизбежно води до загуба на енергия. В сравнение с терахерцовото излъчване в свободното пространство, оптичните повърхностни вълни, свързани с повърхността на среда, като повърхностни плазмонни поляритони (SPP), предоставят напълно нов начин на мислене за терахерцовото насочване и преобразуването на режима.
Дългосрочното изследване на екипа в областта на миниатюризирани лазерно ускорени източници на електрони и източници на радиационна светлина доведе до откриването на механизъм за кохерентно усилване за терагерцови повърхностни плазмон поляритони, което позволява реализацията на повърхностни плазмон поляритони с висока мощност кохерентни източници на радиация. Въз основа на вълновото свойство на Зомерфелд на терахерцови повърхностни изополяризирани възбуждания върху осесиметричен метален цилиндричен вълновод и на фундаменталните напречни магнитни (TM) модове с ниска дисперсия, екипът допълнително свърза тези високомощни терахерцови повърхностни изополяризирани възбуждания директно към ускоряващ вълновод и постигната 85 процента ефективност на свързване, която може ефективно да свърже терагерцовата енергия на ниво милиджаул, генерирана от фемтосекунден лазер, изпомпващ металния цилиндричен вълновод с електронния лъч, и в крайна сметка в 5 mm дължина на електрона, за да се получи най-високата енергия от 1,1 MeV усилване и 210 MV / m от средния градиент на ускорение, ще бъде текущото международно усилване на енергията на терахерцови вълни от електрони с най-добри резултати за подобряване на почти един порядък.
В бъдеще екипът ще доразвие интегрираната изцяло оптична технология за ускоряване на електрони, базирана на тази нова схема на терагерцово ускоряване на електрони, управлявано от режим на повърхностна вълна, и ще разшири нейните кръстосани приложения в областите на малки източници на радиация и откриване на материали .
Съответните резултати от изследването бяха публикувани в Nature Photonics под заглавието Мегаелектронволтно ускорение на електрони, управлявано от терахерцови повърхностни вълни. Изследването е направено в сътрудничество с Шанхайския институт по оптични машини, Пекинския университет по аеронавтика и астронавтика и лабораторията Zhangjiang. Изследването е подкрепено от Националната програма за ключови изследвания и развитие на Китай, Стратегическия пилотен проект на Китайската академия на науките (клас B), Програмата за специална зона за основни изследвания в Шанхай, Националната фондация за природни науки на Китай, Асоциацията на младите иноватори на Китайската академия на науките и Шанхайската програма за вдъхновение в науката и технологиите Star Sail.

Фигура 1. Схематична диаграма на експеримент за ускорение на електрони, задвижван от терагерцови повърхностни вълни.

Фигура 2: Експериментално измерени резултати за максимално усилване на електронната енергия

Фигура 3. Сравнение на напрегнатостта на електрическото поле вътре в ускоряващия вълновод (c) в терагерцово състояние на свободно пространство (a) и метален цилиндричен вълновод (b)