Terahercinių bangų elektronų pagreičio tyrimų pažanga

Neseniai Li Ruxin, Tian Ye ir Song Liwei komanda iš Kinijos mokslų akademijos (CAS) Šanchajaus optikos ir tiksliųjų mašinų instituto (SIPM) padarė didelę pažangą elektronų pagreičio terahercinėmis bangomis srityje. Remdamasi naujos kartos itin intensyviu itin trumpų impulsų lazeriu integruotu eksperimentiniu SIPM įrenginiu, komanda panaudojo itin intensyvų itin trumpą lazerį, kad valdytų šilko bangolaidį, kad generuotų milidžaulio lygio terahercų paviršiaus bangas, ir panaudojo paviršines bangas elektronų pagreitis, kuris išsprendė didelės energijos terahercinių bangų generavimo problemas, taip pat mažą laisvos erdvės terahercų bangos ir bangolaidžio energijos sujungimo efektyvumą. Tyrimas integruoja terahercinės bangos generavimą, perdavimą ir sujungimą su bangolaidžiu ir realizuoja didžiausią 1,1 MeV elektronų energijos padidėjimą ir 210 MV/m vidutinį pagreičio gradientą 5 mm atstumu bangolaidyje, o tai yra beveik eilės tvarka didesnis. nei dabartinis pasaulinis elektronų energijos padidėjimo rekordas terahercų bangų pagreičiui ir atveria visiškai naują kelią visiškai optinio integruoto elektronų dujų pedalo tyrimams.
Miniatiūrinis ir integruotas elektroninių dujų pedalas skatins jo taikymą pažangiose mokslo ir technologijos srityse. Terahercinių bangų valdomo elektronų pagreičio naudojimas, kaip nauja pagreičio technologija, sukurta per pastarąjį dešimtmetį, gali užtikrinti didesnį pagreičio gradientą nei tradicinis RF pagreitis ir yra vienas iš patikimų būdų realizuoti miniatiūrinius, nebrangius pagreičio įrenginius. Tikimasi, kad dujų pedalai bus naudojami daugiau pritaikymo scenarijų, įskaitant nedidelės apimties laboratorijas, ligonines ir pan.
Dabartinė terahercinio elektronų pagreičio plėtra yra pagrįsta laisvos erdvės terahercų šaltinio technologija. Terahercų bangos generuojamos, surenkamos, perduodamos, konvertuojama poliarizacija ir tada sufokusuojamos į bangolaidžio struktūrą, naudojamą elektronams pagreitinti. Eksperimentiškai, siekiant maksimaliai padidinti terahercų pagreičio gradientą bangolaidžio viduje, reikalingas terahercinis šaltinis, kad būtų pakankamai energijos, kad būtų kompensuoti energijos nuostoliai dėl sklaidos, atspindžio ir režimo konversijos optiniame kelyje. Įprastiems terahercų šaltiniams, pavyzdžiui, pagrįstiems optiniais kristalais, paprastai reikia surinkti ir nukreipti terahercinę spinduliuotę per optinius elementus ir pakeisti režimą per segmentuotas bangų plokštes arba fazinio poslinkio plokštes, todėl neišvengiamai prarandama energija. Palyginti su terahercų spinduliuote laisvoje erdvėje, optinės paviršiaus bangos, susietos su terpės paviršiumi, pavyzdžiui, paviršiaus plazmono polaritonai (SPP), suteikia visiškai naują mąstymo būdą apie terahercų valdymą ir režimo konvertavimą.
Ilgalaikiai komandos tyrinėjimai miniatiūrinių lazeriu pagreitintų elektronų šaltinių ir spinduliuotės šviesos šaltinių srityse leido atrasti nuoseklų terahercinio paviršiaus plazmonų polaritonų stiprinimo mechanizmą, leidžiantį realizuoti didelės galios paviršiaus plazmono polaritonų koherentinius spinduliuotės šaltinius. Remdamasi terahercinio paviršiaus izopoliarizuoto sužadinimo ašiesimetrinio metalinio cilindrinio bangolaidžio Sommerfeldo bangos savybe ir mažos dispersijos pagrindiniais skersiniais magnetiniais (TM) režimais, komanda toliau sujungė šiuos didelės galios terahercų paviršiaus izopoliarizuotus sužadinimus tiesiogiai su greitinantis bangolaidis ir pasiektas 85 procentų sujungimo efektyvumas, kuris gali efektyviai susieti milidžaulio lygio terahercų energiją, kurią generuoja femtosekundinis lazeris, pumpuojantis metalinį cilindrinį bangolaidį su elektronų pluoštu, ir galiausiai 5 mm elektrono ilgio, kad būtų gauta didžiausia 1,1 MeV energija. pelnas ir 210 MV / m vidutinio pagreičio gradiento, bus dabartinis tarptautinis terahercų bangomis varomas elektronų energijos padidėjimas ir bus geriausi rezultatai, siekiant padidinti beveik eilės tvarka.
Ateityje komanda toliau plėtos integruotą optinio elektronų pagreičio technologiją, pagrįstą šia nauja terahercinio paviršiaus bangos režimo varomo elektronų pagreičio schema, ir išplės jos kryžminį pritaikymą nedidelio masto spinduliuotės šaltinių ir medžiagų aptikimo srityse. .
Atitinkami tyrimų rezultatai buvo paskelbti Nature Photonics pavadinimu Megaelektronvoltinis elektronų pagreitis, kurį sukelia terahercinės paviršiaus bangos. Tyrimas buvo atliktas bendradarbiaujant su Šanchajaus optinių mašinų institutu, Pekino aeronautikos ir astronautikos universitetu ir Zhangjiang laboratorija. Tyrimą rėmė Kinijos nacionalinė pagrindinių tyrimų ir plėtros programa, Kinijos mokslų akademijos strateginis bandomasis projektas (B klasė), Šanchajaus pagrindinių tyrimų specialiosios zonos programa, Kinijos nacionalinis gamtos mokslų fondas, Jaunųjų novatorių asociacija. Kinijos mokslų akademijos ir Šanchajaus mokslo ir technologijų įkvėpimo žvaigždžių burių programa.

1 pav. Terahercinio paviršiaus bangomis varomo elektronų pagreičio eksperimento schema.

2 pav. Eksperimentiškai išmatuoti didžiausios elektronų energijos padidėjimo rezultatai

3 pav. Elektrinio lauko stiprumo greitinančiojo bangolaidžio viduje (c) palyginimas su terahercais susietoje laisvos erdvės (a) ir metalinio cilindrinio bangolaidžio (b) būsenoje.