Terahertz Dalgalarının Elektron İvmesi Üzerine Araştırmalarda İlerleme

Son zamanlarda, Çin Bilimler Akademisi'nin (CAS) Şanghay Optik ve Hassas Makine Enstitüsü'nden (SIPM) Li Ruxin, Tian Ye ve Song Liwei'den oluşan ekip, terahertz dalgalarında elektron ivmesi alanında önemli ilerleme kaydetti. SIPM'in yeni nesil ultra yoğun ultra kısa darbeli lazer entegre deney cihazını temel alan ekip, milijoule düzeyinde terahertz yüzey dalgaları oluşturmak için ipek dalga kılavuzunu yönlendirmek için ultra yoğun ultra kısa lazer kullandı ve yüzey dalgalarını elektron ivmesi, yüksek enerjili terahertz dalga üretimi problemlerinin yanı sıra serbest uzay terahertz dalgadan dalga kılavuzuna enerji bağlantısının düşük verimliliğini de çözdü. Çalışma, terahertz dalgasının üretimini, iletimini ve bağlanmasını dalga kılavuzuna entegre ediyor ve dalga kılavuzunda neredeyse bir kat daha yüksek olan en yüksek 1,1 MeV elektron enerji kazancını ve 5 mm mesafede 210 MV/m ortalama ivme gradyanını gerçekleştiriyor Terahertz dalga hızlandırması için mevcut dünya elektron enerjisi kazanımı rekorunu aşıyor ve tamamen optik entegre elektron gaz pedalının araştırılması için yepyeni bir yol açıyor.
Minyatürleştirilmiş ve entegre elektron gaz pedalı, bilim ve teknolojide öncü uygulamaları teşvik edecektir. Son on yılda geliştirilen yeni bir hızlandırma teknolojisi olarak terahertz dalga güdümlü elektron hızlandırmanın kullanımı, geleneksel RF hızlandırmaya göre daha yüksek hızlanma gradyanları sağlayabilir ve minyatür, düşük maliyetli hızlandırma cihazlarını gerçekleştirmenin güvenilir yollarından biridir. gaz pedallarının kullanımını küçük ölçekli laboratuvarlar, hastaneler vb. dahil olmak üzere daha fazla uygulama senaryosuna genişletmesi bekleniyor.
Terahertz elektron hızlandırmasının mevcut gelişimi, serbest uzay terahertz kaynak teknolojisine dayanmaktadır. Terahertz dalgaları üretilir, toplanır, iletilir, polarizasyon dönüştürülür ve ardından elektronları hızlandırmak için kullanılan bir dalga kılavuzu yapısına odaklanır. Deneysel olarak, dalga kılavuzu içindeki terahertz ivme gradyanını maksimuma çıkarmak için, optik yoldaki saçılma, yansıma ve mod dönüşümünden kaynaklanan enerji kayıplarını telafi etmek için yeterli enerjiyi sağlayacak bir terahertz kaynağına ihtiyaç vardır. Optik kristallere dayalı olanlar gibi yaygın terahertz kaynakları genellikle terahertz radyasyonunun optik elemanlar aracılığıyla toplanmasını ve yönlendirilmesini ve bölümlü dalga plakaları veya faz kaydırmalı plakalar yoluyla mod dönüşümünü gerektirir ve bu da kaçınılmaz olarak enerji kaybına neden olur. Serbest uzaydaki terahertz radyasyonu ile karşılaştırıldığında, yüzey plazmon polaritonları (SPP'ler) gibi bir ortamın yüzeyine bağlı optik yüzey dalgaları, terahertz rehberliği ve mod dönüşümü hakkında tamamen yeni bir düşünme yöntemi sağlar.
Ekibin minyatür lazerle hızlandırılmış elektron kaynakları ve radyasyon ışık kaynakları alanlarındaki uzun vadeli araştırması, terahertz yüzey plazmon polaritonları için tutarlı bir amplifikasyon mekanizmasının keşfedilmesine yol açtı; bu, yüksek güçlü yüzey plazmon polaritonlarının tutarlı radyasyon kaynaklarının gerçekleştirilmesine olanak tanıyor. Eksenel simetrik metalik silindirik dalga kılavuzu üzerindeki terahertz yüzey izo-polarize uyarımlarının Sommerfeld dalga özelliğine ve düşük dağılımlı temel enine manyetik (TM) modlara dayanarak ekip ayrıca bu yüksek güçlü terahertz yüzey izo-polarize uyarımlarını doğrudan hızlanan dalga kılavuzu ve metalik silindirik dalga kılavuzunu elektron ışınıyla pompalayan femtosaniye lazerin ürettiği milijoule düzeyindeki terahertz enerjisini etkili bir şekilde birleştirebilen yüzde 85 birleştirme verimliliğine ulaştı ve Nihayetinde en yüksek 1,1 MeV enerjiyi elde etmek için elektronun 5 mm uzunluğunda kazanç ve 210 MV/m ortalama ivmelenme gradyanı, mevcut uluslararası terahertz dalga güdümlü elektron enerji kazanımını neredeyse bir büyüklük mertebesinde artırmak için en iyi sonuçları verecektir.
Gelecekte ekip, terahertz yüzey dalgası moduyla yönlendirilen elektron hızlandırmanın bu yeni şemasını temel alan entegre tamamen optik elektron hızlandırma teknolojisini daha da geliştirecek ve bunun küçük ölçekli radyasyon kaynağı ve malzeme tespiti alanlarındaki çapraz uygulamalarını genişletecek. .
İlgili araştırma sonuçları Nature Photonics dergisinde terahertz yüzey dalgalarının yönlendirdiği Megaelektronvolt elektron ivmesi başlığı altında yayınlandı. Araştırma, Şangay Optik Makine Enstitüsü, Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi ve Zhangjiang Laboratuvarı ile işbirliği içinde yapıldı. Araştırma, Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı, Çin Bilimler Akademisi Stratejik Pilot Projesi (B Sınıfı), Şanghay Temel Araştırma Özel Bölge Programı, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Genç Yenilikçiler Derneği tarafından desteklendi. Çin Bilimler Akademisi ve Şangay Bilim ve Teknoloji İlhamı Yıldız Yelken Programı.

Şekil 1. Terahertz yüzey dalgasına dayalı elektron hızlandırma deneyinin şematik diyagramı.

Şekil 2: Deneysel olarak ölçülen maksimum elektron enerji kazanımı sonuçları

Şekil 3. Terahertz bağlantılı boş alan (a) ve metal silindirik dalga kılavuzu (b) durumunda hızlanan dalga kılavuzunun (c) içindeki elektrik alan kuvvetinin karşılaştırılması