Progress fir-Riċerka dwar l-Aċċelerazzjoni Elettroni tal-Mewġ Terahertz

Riċentement, it-tim ta 'Li Ruxin, Tian Ye u Song Liwei mill-Istitut tal-Ottika u Makkinarju ta' Preċiżjoni ta 'Shanghai (SIPM) tal-Akkademja tax-Xjenzi Ċiniża (CAS) għamel progress importanti fil-qasam tal-aċċelerazzjoni tal-elettroni f'mewġ terahertz. Ibbażat fuq il-ġenerazzjoni l-ġdida ta 'apparat sperimentali integrat bil-lejżer tal-polz ultra-short ultra-intens tas-SIPM, it-tim uża laser ultra-intens ultra-qasir biex isuq il-waveguide tal-ħarir biex jiġġenera mewġ tal-wiċċ terahertz ta' livell millijoule, u uża l-mewġ tal-wiċċ għal aċċelerazzjoni tal-elettroni, li ssolviet il-problemi tal-ġenerazzjoni tal-mewġ tat-terahertz b'enerġija għolja kif ukoll l-effiċjenza baxxa tal-akkoppjar tal-enerġija tal-mewġ tal-mewġ terahertz fl-ispazju ħieles. L-istudju jintegra l-ġenerazzjoni, it-trażmissjoni u l-akkoppjar tal-mewġ tat-terahertz fil-waveguide, u jirrealizza l-ogħla qligħ tal-enerġija tal-elettroni ta '1.1 MeV u 210 MV/m gradjent ta' aċċelerazzjoni medja f'distanza ta '5 mm fil-waveguide, li huwa kważi ordni ta' kobor ogħla. mir-rekord dinji attwali tal-qligħ tal-enerġija tal-elettroni għall-aċċelerazzjoni tal-mewġ tat-terahertz u jiftaħ mogħdija ġdida fjamanta għar-riċerka tal-pedala tal-gass tal-elettroni integrata kollha ottika.
Il-pedala tal-gass tal-elettroni minjaturizzata u integrata se tippromwovi l-applikazzjoni tagħha fix-xjenza u t-teknoloġija tal-fruntiera. L-użu ta 'aċċelerazzjoni elettronika mmexxija mill-mewġ terahertz, bħala teknoloġija ta' aċċelerazzjoni emerġenti żviluppata fl-aħħar għaxar snin, jista 'jipprovdi gradjenti ta' aċċelerazzjoni ogħla minn aċċelerazzjoni RF tradizzjonali, u huwa wieħed mill-modi affidabbli biex jiġu realizzati apparati ta 'aċċelerazzjoni minjaturizzati, bi prezz baxx, li huwa mistennija testendi l-użu tal-pedali tal-gass għal aktar xenarji ta 'applikazzjoni, inklużi laboratorji fuq skala żgħira, sptarijiet, eċċ.
L-iżvilupp attwali tal-aċċelerazzjoni tal-elettroni tat-terahertz huwa bbażat fuq it-teknoloġija tas-sors tat-terahertz fl-ispazju ħieles. Il-mewġ Terahertz jiġi ġġenerat, miġbur, trażmess, polarizzazzjoni kkonvertita, u mbagħad iffokat fuq struttura ta 'gwida tal-mewġ użata biex taċċellera l-elettroni. Sperimentalment, sabiex timmassimizza l-gradjent ta 'aċċelerazzjoni tat-terahertz ġewwa l-waveguide, sors ta' terahertz huwa meħtieġ biex jipprovdi biżżejjed enerġija biex jikkumpensa għat-telf ta 'enerġija mit-tifrix, riflessjoni u konverżjoni tal-mod fil-mogħdija ottika. Sorsi komuni tat-terahertz, bħal dawk ibbażati fuq kristalli ottiċi, normalment jeħtieġu l-ġbir u l-gwida tar-radjazzjoni tat-terahertz permezz ta 'elementi ottiċi u konverżjoni tal-mod permezz ta' waveplates segmentati jew pjanċi fażi shifted, li inevitabbilment jirriżulta f'telf ta 'enerġija. Meta mqabbel mar-radjazzjoni terahertz fl-ispazju ħieles, il-mewġ tal-wiċċ ottiku marbut mal-wiċċ ta 'mezz, bħal polaritons tal-plasmon tal-wiċċ (SPPs), jipprovdu mod kompletament ġdid ta' kif wieħed jaħseb dwar il-gwida tat-terahertz u l-konverżjoni tal-mod.
L-esplorazzjoni fit-tul tat-tim fl-oqsma tas-sorsi ta 'elettroni aċċellerati bil-lejżer minjaturizzati u s-sorsi tad-dawl tar-radjazzjoni wasslet għall-iskoperta ta' mekkaniżmu ta 'amplifikazzjoni koerenti għal polaritons tal-plasmon tal-wiċċ tat-terahertz, li jippermetti r-realizzazzjoni ta' polaritons tal-wiċċ ta 'qawwa għolja ta' sorsi ta 'radjazzjoni koerenti. Ibbażat fuq il-proprjetà tal-mewġ ta 'Sommerfeld ta' eċċitazzjonijiet iso-polarizzati tal-wiċċ tat-terahertz fuq waveguide ċilindriku metalliku assisimmetriku, u fuq il-modi manjetiċi trasversali (TM) fundamentali b'dispersjoni baxxa, it-tim għaqqad aktar din l-eċċitazzjonijiet iso-polarizzati tal-wiċċ tat-terahertz ta 'qawwa għolja direttament mal- aċċellerazzjoni waveguide, u miksuba effiċjenza ta ' l-igganċjar ta ' 85 fil-mija, li jistgħu effettivament jgħaqqdu l-enerġija terahertz fil-millijoule-livell ġġenerat mill-femtosecond laser ippumpjar il-waveguide ċilindriku metalliku bir-raġġ ta ' l-elettron, u Fl-aħħar mill-aħħar fit-tul 5mm ta ' l-elettron biex tikseb l-ogħla enerġija 1.1 MeV gwadann u 210 MV / m tal-gradjent ta 'aċċelerazzjoni medja, se jkun il-gwadann tal-enerġija tal-elettroni mmexxi mill-mewġ terahertz internazzjonali attwali tal-aħjar riżultati biex itejbu l-kważi ordni ta' kobor.
Fil-futur, it-tim se jkompli jiżviluppa t-teknoloġija integrata ta 'aċċelerazzjoni ta' l-elettroni ottika kollha bbażata fuq din l-iskema ġdida ta 'aċċelerazzjoni ta' l-elettroni mmexxija mill-mod tal-mewġ tal-wiċċ tat-terahertz, u jespandi l-applikazzjonijiet inkroċjati tagħha fl-oqsma tas-sors ta 'radjazzjoni fuq skala żgħira u l-iskoperta tal-materjal .
Ir-riżultati tar-riċerka rilevanti ġew ippubblikati f'Nature Photonics taħt it-titlu Megaelectronvolt electron acceleration misjuqa minn mewġ tal-wiċċ tat-terahertz. Ir-riċerka saret b'kollaborazzjoni ma 'Shanghai Institute of Optical Machinery, l-Università ta' Beijing ta 'Aeronawtika u Astronawtika u Zhangjiang Laboratory. Ir-riċerka kienet appoġġata mill-Programm Nazzjonali ta 'Riċerka u Żvilupp Ewlenin taċ-Ċina, il-Proġett Pilota Strateġiku tal-Akkademja tax-Xjenzi Ċiniża (Klassi B), il-Programm taż-Żona Speċjali tar-Riċerka Bażika ta' Shanghai, il-Fondazzjoni Nazzjonali tax-Xjenza Naturali taċ-Ċina, l-Assoċjazzjoni tal-Innovaturi Żgħażagħ tal-Akkademja Ċiniża tax-Xjenzi, u l-Programm ta 'Shanghai Xjenza u Teknoloġija Ispirazzjoni Star Sail.

Figura 1. Dijagramma skematika tal-esperiment tal-aċċelerazzjoni tal-elettroni mmexxi mill-mewġ tal-wiċċ tat-terahertz.

Figura 2: Riżultati tal-qligħ massimu tal-enerġija tal-elettroni mkejla b'mod sperimentali

Figura 3. Tqabbil tal-qawwa tal-kamp elettriku ġewwa l-gwida tal-mewġ ta 'aċċellerazzjoni (c) fl-istat akkoppjat ta' terahertz ta 'spazju ħieles (a) u waveguide ċilindriku tal-metall (b)