Napredak u istraživanju elektronskog ubrzanja terahercnih talasa

Nedavno je tim Li Ruxina, Tian Yea i Song Liweija sa Šangajskog instituta za optiku i precizne mašinerije (SIPM) Kineske akademije nauka (CAS) napravio važan napredak u oblasti ubrzanja elektrona na teraherc talasima. Zasnovano na novoj generaciji ultra-intenzivnog ultra-kratkog pulsnog lasera integriranog eksperimentalnog uređaja SIPM-a, tim je koristio ultra-intenzivni ultra-kratki laser za pokretanje svilenog valovoda za generiranje terahercnih površinskih valova na nivou milijoula i koristio je površinske valove za ubrzanje elektrona, što je riješilo probleme generiranja visokoenergetskih teraherc talasa, kao i niske efikasnosti terahercnog talasa i talasovoda u slobodnom prostoru. Studija integriše generisanje, prenos i spajanje teraherc talasa u talasovod, i ostvaruje najveći dobitak energije elektrona od 1,1 MeV i prosečni gradijent ubrzanja od 210 MV/m na udaljenosti od 5 mm u talasovodu, što je skoro red veličine više od trenutnog svetskog rekorda povećanja energije elektrona za ubrzanje teraherc talasa i otvara potpuno novi put za istraživanje potpuno optički integrisane elektronske pedale za gas.
Minijaturizovana i integrisana elektronska pedala za gas će promovisati svoju primenu u graničnoj nauci i tehnologiji. Upotreba ubrzanja elektrona vođenog teraherc talasima, kao nove tehnologije ubrzanja koja je razvijena u poslednjoj deceniji, može obezbediti veće gradijente ubrzanja od tradicionalnog RF ubrzanja, i jedan je od pouzdanih načina za realizaciju minijaturnih, jeftinih uređaja za ubrzanje, koji su Očekuje se da će upotreba pedala za gas proširiti na više scenarija primene, uključujući male laboratorije, bolnice i tako dalje.
Trenutni razvoj teraherc ubrzanja elektrona baziran je na tehnologiji izvora teraherca u slobodnom prostoru. Teraherc talasi se generišu, sakupljaju, prenose, polarizuju se, a zatim se fokusiraju na strukturu talasovoda koja se koristi za ubrzanje elektrona. Eksperimentalno, da bi se maksimizirao terahercni gradijent ubrzanja unutar talasovoda, potreban je teraherc izvor koji će osigurati dovoljno energije za kompenzaciju gubitaka energije od raspršenja, refleksije i konverzije modova na optičkoj putanji. Uobičajeni teraherc izvori, kao što su oni bazirani na optičkim kristalima, obično zahtijevaju prikupljanje i vođenje teraherc zračenja kroz optičke elemente i konverziju modova kroz segmentirane talasne ploče ili fazno pomaknute ploče, što neizbježno rezultira gubitkom energije. U poređenju sa teraherc zračenjem u slobodnom prostoru, optički površinski talasi vezani za površinu medija, kao što su površinski plazmon polaritoni (SPP), pružaju potpuno nov način razmišljanja o terahercnom vođenju i konverziji modova.
Dugotrajno istraživanje tima u oblastima minijaturiziranih laserski ubrzanih izvora elektrona i izvora svjetlosti radijacije dovelo je do otkrića mehanizma koherentnog pojačanja za teraherc površinske plazmon polaritone, koji omogućava realizaciju koherentnih izvora zračenja površinskih plazmon polaritona velike snage. Na osnovu svojstva Sommerfeldovog talasa teraherc površinskih izopolarizovanih pobuđivanja na ososimetričnom metalnom cilindričnom talasovodu, i na osnovnim transverzalnim magnetnim (TM) modovima niske disperzije, tim je dalje povezao ove izopolarizovane ekscitacije velike snage na površini teraherca direktno na ubrzavajući talasovod, i postigao efikasnost spajanja od 85 posto, što može efikasno upariti teraherc energiju na nivou milidžula generisanu femtosekundnim laserom koji pumpa metalni cilindrični talasovod sa snopom elektrona, i na kraju u dužini elektrona od 5 mm da bi se dobila najveća energija od 1,1 MeV dobitak i 210 MV/m prosječnog gradijenta ubrzanja, bit će trenutni međunarodni dobitak energije elektrona vođen terahercnim valovima sa najboljim rezultatima za poboljšanje gotovo reda veličine.
U budućnosti, tim će dalje razvijati integriranu potpuno optičku tehnologiju ubrzanja elektrona baziranu na ovoj novoj shemi ubrzanja elektrona vođenog modom terahercnih površinskih valova, i proširiti svoje unakrsne primjene u oblastima malih izvora zračenja i detekcije materijala. .
Relevantni rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Nature Photonics pod naslovom Megaelektronvoltno ubrzanje elektrona potaknuto teraherc površinskim talasima. Istraživanje je urađeno u saradnji sa Šangajskim institutom za optičke mašine, Univerzitetom za aeronautiku i astronautiku u Pekingu i laboratorijom Zhangjiang. Istraživanje je podržano od strane Nacionalnog ključnog istraživačkog i razvojnog programa Kine, Strateškog pilot-projekta Kineske akademije nauka (klasa B), Programa posebne zone za osnovna istraživanja u Šangaju, Kineske nacionalne fondacije za prirodne nauke, Udruženja mladih inovatora Kineske akademije nauka i Šangajskog programa za inspiraciju za nauku i tehnologiju Star Sail.

Slika 1. Šematski dijagram eksperimenta ubrzanja elektrona vođenog površinskim talasima teraherca.

Slika 2: Eksperimentalno izmjereni rezultati maksimalnog dobitka energije elektrona

Slika 3. Poređenje jačine električnog polja unutar ubrzavajućeg talasovoda (c) u teraherc-spregnutom stanju slobodnog prostora (a) i metalnog cilindričnog talasovoda (b)