Napredek pri raziskavah elektronskega pospeševanja teraherčnih valov

Pred kratkim je ekipa Li Ruxin, Tian Ye in Song Liwei iz Šanghajskega inštituta za optiko in precizne stroje (SIPM) Kitajske akademije znanosti (CAS) dosegla pomemben napredek na področju pospeševanja elektronov pri teraherčnih valovih. Na podlagi nove generacije integrirane eksperimentalne naprave z ultra intenzivnim laserjem z ultra kratkimi impulzi SIPM je ekipa uporabila ultra intenziven ultra kratek laser za pogon svilenega valovoda za generiranje površinskih valov terahercev na ravni miljoulov in uporabila površinske valove za pospešek elektronov, ki je rešil probleme generiranja visokoenergijskih teraherčnih valov kot tudi nizko učinkovitost povezovanja energije teraherčnega vala in valovoda v prostem prostoru. Študija združuje generiranje, prenos in spajanje teraherčnega valovanja v valovod ter doseže najvišjo pridobitev energije elektronov 1,1 MeV in povprečni gradient pospeška 210 MV/m na razdalji 5 mm v valovodu, kar je skoraj za red velikosti več kot trenutni svetovni rekord pridobivanja energije elektronov za pospeševanje teraherčnih valov in odpira popolnoma novo pot za raziskave popolnoma optičnega integriranega pedala za elektronski plin.
Miniaturni in integrirani pedal za elektronski plin bo spodbujal njegovo uporabo v znanosti in tehnologiji. Uporaba pospeševanja elektronov, ki ga poganjajo teraherčni valovi, kot nastajajoče tehnologije pospeševanja, razvite v zadnjem desetletju, lahko zagotovi višje gradiente pospeška kot tradicionalno RF pospeševanje in je eden od zanesljivih načinov za realizacijo miniaturiziranih, poceni naprav za pospeševanje, ki je pričakuje se, da bo razširil uporabo stopalk za plin na več scenarijev uporabe, vključno z majhnimi laboratoriji, bolnišnicami itd.
Trenutni razvoj teraherčnega pospeševanja elektronov temelji na tehnologiji teraherčnega vira v prostem prostoru. Teraherčni valovi se generirajo, zbirajo, prenašajo, polarizacija pretvori in nato usmeri na strukturo valovoda, ki se uporablja za pospeševanje elektronov. Eksperimentalno, da bi povečali teraherčni gradient pospeška znotraj valovoda, je potreben teraherčni vir, ki zagotavlja dovolj energije za kompenzacijo izgub energije zaradi sipanja, odboja in pretvorbe načina na optični poti. Običajni teraherčni viri, kot so tisti, ki temeljijo na optičnih kristalih, običajno zahtevajo zbiranje in vodenje teraherčnega sevanja skozi optične elemente in pretvorbo načina skozi segmentirane valovne plošče ali fazno zamaknjene plošče, kar neizogibno povzroči izgubo energije. V primerjavi s teraherčnim sevanjem v prostem prostoru zagotavljajo optični površinski valovi, vezani na površino medija, kot so površinski plazmonski polaritoni (SPP), popolnoma nov način razmišljanja o teraherčnem vodenju in pretvorbi načina.
Dolgoročno raziskovanje skupine na področjih miniaturiziranih lasersko pospešenih virov elektronov in virov sevalne svetlobe je privedlo do odkritja mehanizma koherentnega ojačanja za teraherčne površinske plazmonske polaritone, ki omogoča realizacijo koherentnih virov sevanja površinskih plazmonskih polaritonov visoke moči. Na podlagi lastnosti Sommerfeldovih valov teraherčnih površinskih izopolariziranih vzbujanj na osnosimetričnem kovinskem cilindričnem valovodu in na nizkodisperzijskih osnovnih transverzalnih magnetnih (TM) načinih je ekipa nadalje povezala ta visoko zmogljiva teraherčna površinska izopolarizirana vzbujanja neposredno na pospeševalnem valovodu in dosegel 85-odstotno učinkovitost sklopitve, ki lahko učinkovito poveže teraherčno energijo na ravni miljoulov, ki jo ustvari femtosekundni laser, ki črpa kovinski valjasti valovod z elektronskim žarkom, in na koncu v 5 mm dolžini elektrona, da dobi najvišjo energijo 1,1 MeV. dobiček in 210 MV/m povprečnega gradienta pospeška, bo trenutni mednarodni dobiček energije elektronov, ki ga poganjajo teraherčni valovi, najboljši rezultati za izboljšanje skoraj reda velikosti.
V prihodnosti bo skupina še naprej razvijala integrirano popolnoma optično tehnologijo pospeševanja elektronov, ki temelji na tej novi shemi pospeševanja elektronov, ki temelji na teraherčnem načinu površinskih valov, in razširila svoje navzkrižne aplikacije na področjih zaznavanja virov sevanja majhnega obsega in materiala. .
Ustrezni rezultati raziskave so bili objavljeni v reviji Nature Photonics pod naslovom Megaelectronvolt electron pospešek, ki ga poganjajo teraherčni površinski valovi. Raziskava je bila izvedena v sodelovanju s Šanghajskim inštitutom za optične stroje, Pekinško univerzo za aeronavtiko in astronavtiko ter laboratorijem Zhangjiang. Raziskavo so podprli Kitajski nacionalni ključni raziskovalni in razvojni program, strateški pilotni projekt Kitajske akademije znanosti (razred B), šanghajski program posebnih območij temeljnih raziskav, Kitajska nacionalna naravoslovna fundacija, Združenje mladih inovatorjev Kitajske akademije znanosti in Shanghai Science and Technology Inspiration Star Sail Program.

Slika 1. Shematski diagram poskusa pospeševanja elektronov, ki ga poganjajo teraherčni površinski valovi.

Slika 2: Eksperimentalno izmerjeni rezultati največjega pridobivanja energije elektronov

Slika 3. Primerjava električne poljske jakosti znotraj pospeševalnega valovoda (c) v teraherčno sklopljenem stanju prostega prostora (a) in kovinskega cilindričnega valovoda (b)