Напредак у истраживању електронског убрзања терахерц таласа

Недавно је тим Ли Руксина, Тиан Иеа и Сонг Ливеија са Шангајског института за оптику и прецизне машине (СИПМ) Кинеске академије наука (ЦАС) направио значајан напредак у области убрзања електрона на терахерц таласима. Заснован на новој генерацији ултра-интензивног ултра-кратког пулсног ласера ​​интегрисаног експерименталног уређаја СИПМ-а, тим је користио ултра-интензиван ултра-кратки ласер за покретање свиленог таласовода да генерише терахерц површинске таласе на нивоу милиџула и користио је површинске таласе за убрзање електрона, што је решило проблеме генерисања високоенергетских терахерц таласа као и ниске ефикасности терахерцног таласног таласа у таласоводу у слободном простору. Студија интегрише генерисање, пренос и спајање терахерц таласа у таласовод, и остварује највећи добитак енергије електрона од 1,1 МеВ и просечни градијент убрзања од 210 МВ/м на удаљености од 5 мм у таласоводу, што је скоро ред величине више од тренутног светског рекорда повећања енергије електрона за убрзање терахерц таласа и отвара потпуно нови пут за истраживање потпуно оптички интегрисане електронске педале за гас.
Минијатуризована и интегрисана електронска педала за гас ће промовисати своју примену у граничној науци и технологији. Употреба убрзања електрона вођеног терахерц таласима, као нове технологије убрзања развијене у последњој деценији, може обезбедити веће градијенте убрзања од традиционалног РФ убрзања, и један је од поузданих начина за реализацију минијатуризованих, јефтиних уређаја за убрзање, који су Очекује се да ће употреба педала за гас проширити на више сценарија примене, укључујући мале лабораторије, болнице и тако даље.
Тренутни развој терахерцног убрзања електрона заснован је на технологији извора терахерца у слободном простору. Терахерц таласи се генеришу, сакупљају, преносе, поларизују се, а затим се фокусирају на структуру таласовода која се користи за убрзање електрона. Експериментално, да би се максимизирао градијент убрзања терахерца унутар таласовода, потребан је терахерц извор да обезбеди довољно енергије за компензацију губитака енергије услед расејања, рефлексије и конверзије модова на оптичкој путањи. Уобичајени терахерц извори, као што су они засновани на оптичким кристалима, обично захтевају прикупљање и вођење терахерц зрачења кроз оптичке елементе и конверзију модова кроз сегментне таласне плоче или фазно померене плоче, што неизбежно резултира губитком енергије. У поређењу са терахерц зрачењем у слободном простору, оптички површински таласи везани за површину медија, као што су површински плазмон поларитони (СПП), пружају потпуно нов начин размишљања о терахерцном вођењу и конверзији модова.
Дугорочно истраживање тима у областима минијатуризованих ласерски убрзаних извора електрона и извора светлости радијације довело је до открића механизма кохерентног појачавања за терахерц површинске плазмон поларитоне, који омогућава реализацију кохерентних извора зрачења површинских плазмон поларитона велике снаге. Засновано на својству Сомерфелдовог таласа терахерц површинских изополаризованих побуда на ососиметричном металном цилиндричном таласоводу, и на основним трансверзалним магнетним (ТМ) модовима ниске дисперзије, тим је даље повезао ову терахерц површинску изополаризовану ексцитацију директно на убрзавајући таласовод, и постигао ефикасност спајања од 85 процената, што може ефикасно да повеже терахерц енергију на нивоу милиџула генерисану фемтосекундним ласером који пумпа метални цилиндрични таласовод са електронским снопом, и на крају у дужини електрона од 5 мм да би се добила највећа енергија од 1,1 МеВ добитка и 210 МВ/м просечног градијента убрзања, биће тренутни међународни добитак енергије електрона вођен терахерц таласима са најбољим резултатима за побољшање скоро реда величине.
У будућности, тим ће даље развијати интегрисану потпуно оптичку технологију убрзања електрона засновану на овој новој шеми убрзања електрона вођеног модом површинских таласа терахерца, и проширити своје унакрсне примене у областима малих извора зрачења и детекције материјала .
Релевантни резултати истраживања објављени су у часопису Натуре Пхотоницс под насловом Мегаелектронволтно убрзање електрона вођено терахерц површинским таласима. Истраживање је урађено у сарадњи са Шангајским институтом за оптичке машине, Пекиншким универзитетом за аеронаутику и астронаутику и лабораторијом Зхангјианг. Истраживање је подржано од стране Националног кључног истраживачког и развојног програма Кине, Стратешког пилот-пројекта Кинеске академије наука (класа Б), Програма посебне зоне за основна истраживања у Шангају, Кинеске националне фондације за природне науке, Удружења младих иноватора. Кинеске академије наука и Шангајског програма за инспирацију за науку и технологију Стар Саил.

Слика 1. Шематски дијаграм експеримента убрзања електрона на терахерц површинским таласима.

Слика 2: Експериментално измерени резултати максималног повећања енергије електрона

Слика 3. Поређење јачине електричног поља унутар убрзавајућег таласовода (ц) у терахерц-спрегнутом стању слободног простора (а) и металног цилиндричног таласовода (б)