Progresul cercetării privind accelerarea electronilor a undelor Terahertz

Recent, echipa formată din Li Ruxin, Tian Ye și Song Liwei de la Institutul de Optică și Mașini de Precizie din Shanghai (SIPM) al Academiei Chineze de Științe (CAS) a făcut progrese importante în domeniul accelerației electronilor la unde terahertzi. Pe baza noii generații de dispozitive experimentale integrate cu laser ultra-intens ultra-scurt SIPM, echipa a folosit laser ultra-intens ultra-scurt pentru a conduce ghidul de undă de mătase pentru a genera unde de suprafață terahertz la nivel de milijoule și a folosit undele de suprafață pentru accelerația electronilor, care a rezolvat problemele generării de unde terahertzi de înaltă energie, precum și eficiența scăzută a cuplării energiei undă-ghid de undă teraherți în spațiul liber. Studiul integrează generarea, transmiterea și cuplarea undei teraherți în ghidul de undă și realizează cel mai mare câștig de energie de electroni de 1,1 MeV și un gradient mediu de accelerație de 210 MV/m la o distanță de 5 mm în ghidul de undă, care este aproape cu un ordin de mărime mai mare. decât recordul mondial actual de câștig de energie electronică pentru accelerarea undelor de teraherți și deschide o cale nou-nouță pentru cercetarea pedalei de gaz electronice integrate integral.
Pedala de gaz miniaturizată și integrată cu electroni își va promova aplicarea în știința și tehnologia de frontieră. Utilizarea accelerației electronilor determinate de undele de teraherți, ca tehnologie de accelerare emergentă dezvoltată în ultimul deceniu, poate oferi gradienți de accelerație mai mari decât accelerația tradițională RF și este una dintre modalitățile fiabile de a realiza dispozitive de accelerare miniaturizate, cu costuri reduse, care este se așteaptă să extindă utilizarea pedalelor de accelerație la mai multe scenarii de aplicare, inclusiv laboratoare la scară mică, spitale și așa mai departe.
Dezvoltarea actuală a accelerației de electroni teraherți se bazează pe tehnologia surselor de teraherți în spațiul liber. Undele Terahertz sunt generate, colectate, transmise, polarizarea convertită și apoi concentrate pe o structură de ghid de undă folosită pentru a accelera electronii. Experimental, pentru a maximiza gradientul de accelerație de teraherți în interiorul ghidului de undă, este necesară o sursă de teraherți pentru a furniza suficientă energie pentru a compensa pierderile de energie din împrăștiere, reflexie și conversie de mod pe calea optică. Sursele obișnuite de teraherți, cum ar fi cele bazate pe cristale optice, necesită de obicei colectarea și ghidarea radiației teraherți prin elemente optice și conversie de mod prin plăci de undă segmentate sau plăci defazate, ceea ce duce inevitabil la pierderi de energie. În comparație cu radiația teraherți în spațiul liber, undele optice de suprafață legate de suprafața unui mediu, cum ar fi polaritonii plasmoni de suprafață (SPP), oferă un mod complet nou de a gândi ghidarea în teraherți și conversia modului.
Explorarea pe termen lung a echipei în domeniul surselor de electroni accelerați cu laser miniaturizat și al surselor de lumină cu radiații a condus la descoperirea unui mecanism de amplificare coerent pentru polaritonii de plasmoni de suprafață teraherți, care permite realizarea surselor de radiații coerente de polaritoni de suprafață de mare putere. Pe baza proprietății undei Sommerfeld a excitațiilor izo-polarizate de suprafață terahertzi pe ghidul de undă cilindric metalic axisimetric și pe modurile magnetice transversale fundamentale (TM) cu dispersie scăzută, echipa a cuplat în continuare aceste excitații izo-polarizate de suprafață teraherți de mare putere direct la accelerarea ghidului de undă și a atins o eficiență de cuplare de 85%, care poate cupla eficient energia terahertz la nivel de milijoule generată de laserul femtosecunde care pompează ghidul de undă cilindric metalic cu fasciculul de electroni și, în cele din urmă, în lungimea de 5 mm a electronului pentru a obține cea mai mare energie de 1,1 MeV. câștig și 210 MV / m din gradientul de accelerație mediu, va fi curentul internațional terahertz condus de undă câștig de energie electron de cele mai bune rezultate pentru a spori aproape un ordin de mărime.
În viitor, echipa va dezvolta în continuare tehnologia integrată de accelerare a electronilor, integral optică, bazată pe această nouă schemă de accelerare a electronilor determinată de modul undelor de suprafață terahertzi și își va extinde aplicațiile încrucișate în domeniul detectării surselor de radiații la scară mică și a materialelor. .
Rezultatele cercetării relevante au fost publicate în Nature Photonics sub titlul Accelerația electronilor Megaelectronvolt condusă de undele de suprafață terahertzi. Cercetarea a fost realizată în colaborare cu Institutul de Mașini Optice din Shanghai, Universitatea de Aeronautică și Astronautică din Beijing și Laboratorul Zhangjiang. Cercetarea a fost susținută de Programul Național de Cercetare și Dezvoltare Cheie din China, Proiectul Pilot Strategic al Academiei Chineze de Științe (Clasa B), Programul pentru Zona Specială de Cercetare de bază din Shanghai, Fundația Națională pentru Științe Naturale din China, Asociația Tinerilor Inovatori. a Academiei Chineze de Științe și a programului Shanghai Science and Technology Inspiration Star Sail.

Figura 1. Diagrama schematică a experimentului de accelerare a electronilor condus de undele de suprafață în teraherți.

Figura 2: Rezultatele câștigului maxim de energie electronică măsurat experimental

Figura 3. Comparația intensității câmpului electric din interiorul ghidului de undă accelerat (c) în starea cuplată în teraherți a spațiului liber (a) și ghidul de undă cilindric metalic (b)