Avenços en la investigació sobre l'acceleració electrònica de les ones de terahertz

Recentment, l'equip de Li Ruxin, Tian Ye i Song Liwei de l'Institut d'Òptica i Maquinària de Precisió de Xangai (SIPM) de l'Acadèmia Xinesa de Ciències (CAS) ha fet un avenç important en el camp de l'acceleració d'electrons a ones de terahertz. A partir de la nova generació de dispositius experimentals integrats amb làser de pols ultra-curt ultra intens de SIPM, l'equip va utilitzar làser ultra-intens ultra-curt per impulsar la guia d'ones de seda per generar ones superficials de terahertz de nivell de mil·lijoule i va utilitzar les ones superficials per l'acceleració d'electrons, que va resoldre els problemes de la generació d'ones de terahertz d'alta energia, així com la baixa eficiència de l'acoblament d'energia d'ona a guia d'ones de terahertz a l'espai lliure. L'estudi integra la generació, la transmissió i l'acoblament d'ona de terahertz a la guia d'ones i s'aconsegueix el guany d'energia d'electrons més alt d'1,1 MeV i un gradient d'acceleració mitjà de 210 MV/m a una distància de 5 mm a la guia d'ones, que és gairebé un ordre de magnitud superior. que l'actual rècord mundial de guany d'energia d'electrons per a l'acceleració d'ones de terahertz i obre una nova via per a la investigació del pedal de gas electrònic integrat totalment òptic.
El pedal de gas electrònic miniaturitzat i integrat promourà la seva aplicació en ciència i tecnologia de frontera. L'ús de l'acceleració d'electrons impulsada per ones de terahertz, com a tecnologia d'acceleració emergent desenvolupada en l'última dècada, pot proporcionar gradients d'acceleració més alts que l'acceleració de RF tradicional, i és una de les maneres fiables de realitzar dispositius d'acceleració miniaturitzats i de baix cost, que és s'espera estendre l'ús de pedals de gas a més escenaris d'aplicació, inclosos laboratoris a petita escala, hospitals, etc.
El desenvolupament actual de l'acceleració d'electrons de terahertz es basa en la tecnologia de font de terahertz d'espai lliure. Les ones de terahertz es generen, es recullen, es transmeten, es converteixen la polarització i després es centren en una estructura de guia d'ones utilitzada per accelerar els electrons. Experimentalment, per tal de maximitzar el gradient d'acceleració de terahertzs ​​dins de la guia d'ones, es necessita una font de terahertz per proporcionar prou energia per compensar les pèrdues d'energia de la dispersió, la reflexió i la conversió de mode en el camí òptic. Les fonts comunes de terahertz, com les basades en cristalls òptics, solen requerir la recollida i guia de la radiació de terahertz a través d'elements òptics i la conversió de mode mitjançant plaques d'ona segmentades o plaques desplaçades de fase, que inevitablement provoca una pèrdua d'energia. En comparació amb la radiació de terahertzs ​​a l'espai lliure, les ones superficials òptiques lligades a la superfície d'un medi, com ara els polaritons de plasmó superficials (SPP), proporcionen una manera completament nova de pensar en la guia de terahertz i la conversió de modes.
L'exploració a llarg termini de l'equip en els camps de les fonts d'electrons accelerades amb làser miniaturitzades i les fonts de llum de radiació ha portat al descobriment d'un mecanisme d'amplificació coherent per als polarits de plasmó de superfície de terahertz, que permet la realització de fonts de radiació coherents de polarits de plasmó de superfície d'alta potència. Basant-se en la propietat de l'ona de Sommerfeld de les excitacions isopolaritzades de superfície de terahertzs ​​en una guia d'ones cilíndrica metàl·lica axisimètrica i en els modes magnètics transversals (TM) fonamentals de baixa dispersió, l'equip va acoblar encara més aquestes excitacions isopolaritzades de superfície de terahertzs ​​d'alta potència directament a la accelerant la guia d'ones i va aconseguir un 85% d'eficiència d'acoblament, que pot acoblar eficaçment l'energia de terahertz a nivell de mil·lijoule generada pel làser de femtosegon que bombeja la guia d'ones cilíndrica metàl·lica amb el feix d'electrons i, finalment, en la longitud de 5 mm de l'electró per obtenir l'energia més alta d'1,1 MeV. guany i 210 MV / m del gradient d'acceleració mitjà, serà l'actual guany d'energia d'electrons impulsat per ones de terahertz internacional dels millors resultats per millorar gairebé un ordre de magnitud.
En el futur, l'equip desenvoluparà encara més la tecnologia d'acceleració electrònica integrada totalment òptica basada en aquest nou esquema d'acceleració d'electrons impulsada pel mode d'ona superficial de terahertz i ampliarà les seves aplicacions creuades en els camps de la font de radiació a petita escala i la detecció de materials. .
Els resultats de la investigació rellevants es van publicar a Nature Photonics sota el títol Acceleració d'electrons de megaelectronvolt impulsada per ones superficials de terahertz. La investigació es va fer en col·laboració amb l'Institut de Maquinària Òptica de Xangai, la Universitat d'Aeronàutica i Astronàutica de Beijing i el Laboratori de Zhangjiang. La investigació va comptar amb el suport del Programa Nacional de Recerca i Desenvolupament Clau de la Xina, el Projecte Pilot Estratègic de l'Acadèmia Xinesa de Ciències (Classe B), el Programa de Zona Especial de Recerca Bàsica de Xangai, la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina, l'Associació de Joves Innovadors. de l'Acadèmia Xinesa de Ciències i el programa Star Sail d'inspiració científica i tecnològica de Xangai.

Figura 1. Diagrama esquemàtic de l'experiment d'acceleració d'electrons impulsat per ones de superfície de terahertz.

Figura 2: resultats de guany d'energia màxima d'electrons mesurats experimentalment

Figura 3. Comparació de la intensitat del camp elèctric dins de la guia d'ones accelerada (c) en l'estat acoblat a terahertz de l'espai lliure (a) i la guia d'ones cilíndrica metàl·lica (b)