Fortschritte in der Forschung zur Elektronenbeschleunigung von Terahertzwellen

Kürzlich hat das Team um Li Ruxin, Tian Ye und Song Liwei vom Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery (SIPM) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronenbeschleunigung bei Terahertzwellen erzielt. Basierend auf dem integrierten experimentellen Gerät der neuen Generation von ultraintensiven Ultrakurzpulslasern von SIPM nutzte das Team einen ultraintensiven Ultrakurzpulslaser, um den Seidenwellenleiter anzutreiben, um Terahertz-Oberflächenwellen im Millijoule-Bereich zu erzeugen, und nutzte die Oberflächenwellen für Elektronenbeschleunigung, die die Probleme der Erzeugung hochenergetischer Terahertzwellen sowie die geringe Effizienz der Energiekopplung von Terahertzwellen im freien Raum zwischen Wellenleitern löste. Die Studie integriert die Erzeugung, Übertragung und Kopplung von Terahertz-Wellen in den Wellenleiter und realisiert den höchsten Elektronenenergiegewinn von 1,1 MeV und den höchsten durchschnittlichen Beschleunigungsgradienten von 210 MV/m bei einem Abstand von 5 mm im Wellenleiter, was fast eine Größenordnung höher ist übertrifft den aktuellen Weltrekord der Elektronenenergiegewinnung für die Terahertz-Wellenbeschleunigung und eröffnet einen völlig neuen Weg für die Erforschung vollständig optischer integrierter Elektronengaspedale.
Das miniaturisierte und integrierte Elektronengaspedal wird seine Anwendung in der Grenzwissenschaft und -technologie fördern. Der Einsatz der durch Terahertzwellen angetriebenen Elektronenbeschleunigung als neue Beschleunigungstechnologie, die im letzten Jahrzehnt entwickelt wurde, kann höhere Beschleunigungsgradienten als herkömmliche HF-Beschleunigung liefern und ist eine der zuverlässigen Möglichkeiten, miniaturisierte, kostengünstige Beschleunigungsgeräte zu realisieren Es wird erwartet, dass die Verwendung von Gaspedalen auf weitere Anwendungsszenarien ausgeweitet wird, darunter kleine Labore, Krankenhäuser usw.
Die aktuelle Entwicklung der Terahertz-Elektronenbeschleunigung basiert auf der Freiraum-Terahertz-Quellentechnologie. Terahertz-Wellen werden erzeugt, gesammelt, übertragen, polarisiert und dann auf eine Wellenleiterstruktur fokussiert, die zur Beschleunigung der Elektronen dient. Um den Terahertz-Beschleunigungsgradienten im Wellenleiter zu maximieren, ist experimentell eine Terahertz-Quelle erforderlich, die genügend Energie liefert, um die Energieverluste durch Streuung, Reflexion und Modenumwandlung im optischen Pfad zu kompensieren. Herkömmliche Terahertz-Quellen, beispielsweise solche, die auf optischen Kristallen basieren, erfordern in der Regel die Sammlung und Führung der Terahertz-Strahlung durch optische Elemente und die Modenumwandlung durch segmentierte Wellenplatten oder phasenverschobene Platten, was zwangsläufig zu Energieverlusten führt. Im Vergleich zur Terahertz-Strahlung im freien Raum bieten optische Oberflächenwellen, die an die Oberfläche eines Mediums gebunden sind, wie z. B. Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs), eine völlig neue Denkweise zur Terahertz-Führung und Modenumwandlung.
Die langjährige Forschung des Teams auf den Gebieten miniaturisierter laserbeschleunigter Elektronenquellen und Strahlungslichtquellen hat zur Entdeckung eines kohärenten Verstärkungsmechanismus für Terahertz-Oberflächenplasmonpolaritonen geführt, der die Realisierung leistungsstarker kohärenter Oberflächenplasmonpolaritonenstrahlungsquellen ermöglicht. Basierend auf der Sommerfeld-Welleneigenschaft isopolarisierter Terahertz-Oberflächenanregungen auf einem achsensymmetrischen metallischen zylindrischen Wellenleiter und den fundamentalen transversalen magnetischen (TM) Moden mit geringer Dispersion koppelte das Team diese leistungsstarken terahertz-oberflächenisopolarisierten Anregungen weiter direkt an die Beschleunigungswellenleiter und erreichte einen Kopplungswirkungsgrad von 85 Prozent, der die durch Femtosekundenlaser erzeugte Terahertz-Energie im Millijoule-Bereich, die den metallischen zylindrischen Wellenleiter pumpt, effektiv mit dem Elektronenstrahl koppeln kann, und letztendlich in der 5 mm langen Länge des Elektrons, um die höchste Energie von 1,1 MeV zu erhalten Verstärkung und 210 MV/m des durchschnittlichen Beschleunigungsgradienten, wird die aktuelle internationale Terahertz-Wellen-angetriebene Elektronenenergieverstärkung der besten Ergebnisse sein, um die fast eine Größenordnung zu steigern.
In Zukunft wird das Team die integrierte rein optische Elektronenbeschleunigungstechnologie basierend auf diesem neuen Schema der durch Terahertz-Oberflächenwellenmoden gesteuerten Elektronenbeschleunigung weiterentwickeln und ihre übergreifenden Anwendungen in den Bereichen kleinräumige Strahlungsquellen und Materialdetektion erweitern .
Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in „Nature Photonics“ unter dem Titel „Megaelektronvolt Elektronenbeschleunigung angetrieben durch Terahertz-Oberflächenwellen“ veröffentlicht. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit dem Shanghai Institute of Optical Machinery, der Beijing University of Aeronautics and Astronautics und dem Zhangjiang Laboratory durchgeführt. Die Forschung wurde vom National Key Research and Development Program of China, dem Strategic Pilot Project der Chinese Academy of Sciences (Klasse B), dem Shanghai Basic Research Special Zone Program, der National Natural Science Foundation of China und der Young Innovators Association unterstützt der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Shanghai Science and Technology Inspiration Star Sail Program.

Abbildung 1. Schematische Darstellung eines durch Terahertz-Oberflächenwellen angetriebenen Elektronenbeschleunigungsexperiments.

Abbildung 2: Experimentell gemessene Ergebnisse des maximalen Elektronenenergiegewinns

Abbildung 3. Vergleich der elektrischen Feldstärke innerhalb des beschleunigenden Wellenleiters (c) im Terahertz-gekoppelten Zustand des freien Raums (a) und des zylindrischen Metallwellenleiters (b)