Kemajuan dalam Penyelidikan Mengenai Pecutan Elektron Gelombang Terahertz

Baru-baru ini, pasukan Li Ruxin, Tian Ye dan Song Liwei dari Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery (SIPM) Akademi Sains China (CAS) telah mencapai kemajuan penting dalam bidang pecutan elektron pada gelombang terahertz. Berdasarkan generasi baharu peranti eksperimen bersepadu SIPM laser denyut ultra-pendek ultra-intens, pasukan menggunakan laser ultra-pendek ultra-intens untuk memacu pandu gelombang sutera untuk menjana gelombang permukaan terahertz peringkat milijoule, dan menggunakan gelombang permukaan untuk pecutan elektron, yang menyelesaikan masalah penjanaan gelombang terahertz bertenaga tinggi serta kecekapan rendah gandingan tenaga gelombang-ke-pandu gelombang terahertz ruang bebas. Kajian ini menyepadukan penjanaan, penghantaran dan gandingan gelombang terahertz ke dalam pandu gelombang, dan merealisasikan perolehan tenaga elektron 1.1 MeV tertinggi dan kecerunan pecutan purata 210 MV/m pada jarak 5 mm dalam pandu gelombang, yang hampir satu susunan magnitud lebih tinggi. daripada rekod dunia semasa perolehan tenaga elektron untuk pecutan gelombang terahertz dan membuka laluan baharu untuk penyelidikan pedal gas elektron bersepadu semua optik.
Pedal gas elektron yang dikecilkan dan bersepadu akan mempromosikan penggunaannya dalam sains dan teknologi sempadan. Penggunaan pecutan elektron dipacu gelombang terahertz, sebagai teknologi pecutan yang baru muncul yang dibangunkan dalam dekad yang lalu, boleh memberikan kecerunan pecutan yang lebih tinggi daripada pecutan RF tradisional, dan merupakan salah satu cara yang boleh dipercayai untuk merealisasikan peranti pecutan kos kecil yang kecil, iaitu dijangka memperluaskan penggunaan pedal gas kepada lebih banyak senario aplikasi, termasuk makmal berskala kecil, hospital, dan sebagainya.
Perkembangan semasa pecutan elektron terahertz adalah berdasarkan teknologi sumber terahertz ruang bebas. Gelombang terahertz dijana, dikumpul, dihantar, polarisasi ditukar, dan kemudian difokuskan pada struktur pandu gelombang yang digunakan untuk mempercepatkan elektron. Secara eksperimen, untuk memaksimumkan kecerunan pecutan terahertz di dalam pandu gelombang, sumber terahertz diperlukan untuk menyediakan tenaga yang mencukupi untuk mengimbangi kehilangan tenaga daripada serakan, pantulan dan penukaran mod dalam laluan optik. Sumber terahertz biasa, seperti yang berasaskan kristal optik, biasanya memerlukan pengumpulan dan panduan sinaran terahertz melalui elemen optik dan penukaran mod melalui plat gelombang bersegmen atau plat anjakan fasa, yang pasti mengakibatkan kehilangan tenaga. Berbanding dengan sinaran terahertz dalam ruang bebas, gelombang permukaan optik yang terikat pada permukaan medium, seperti polariton plasmon permukaan (SPP), memberikan cara pemikiran yang benar-benar baharu tentang bimbingan terahertz dan penukaran mod.
Penjelajahan jangka panjang pasukan dalam bidang sumber elektron dipercepatkan laser mini dan sumber cahaya sinaran telah membawa kepada penemuan mekanisme penguatan koheren untuk polariton plasmon permukaan terahertz, yang membolehkan merealisasikan sumber sinaran koheren plasmon permukaan berkuasa tinggi. Berdasarkan sifat gelombang Sommerfeld bagi pengujaan iso terkutub permukaan terahertz pada pandu gelombang silinder logam axisymmetric, dan pada mod magnet melintang asas (TM) serakan rendah, pasukan itu terus menggandingkan pengujaan iso-polarized permukaan terahertz berkuasa tinggi ini terus ke pandu gelombang mempercepatkan, dan mencapai kecekapan gandingan 85 peratus, yang boleh menggabungkan tenaga terahertz peringkat milijoule dengan berkesan yang dijana oleh laser femtosaat mengepam pandu gelombang silinder logam dengan pancaran elektron, dan Akhirnya dalam panjang 5mm elektron untuk mendapatkan tenaga 1.1 MeV tertinggi keuntungan dan kecerunan pecutan purata 210 MV / m, akan menjadi keuntungan tenaga elektron dipacu gelombang terahertz antarabangsa semasa hasil terbaik untuk meningkatkan hampir susunan magnitud.
Pada masa hadapan, pasukan itu akan membangunkan lagi teknologi pecutan elektron semua optik bersepadu berdasarkan skema baharu pecutan elektron dipacu mod gelombang permukaan terahertz ini, dan mengembangkan aplikasi silangnya dalam bidang sumber sinaran berskala kecil dan pengesanan bahan. .
Hasil penyelidikan yang berkaitan telah diterbitkan dalam Nature Photonics di bawah tajuk Megaelectronvolt pecutan elektron yang dipacu oleh gelombang permukaan terahertz. Penyelidikan itu dilakukan dengan kerjasama Institut Jentera Optik Shanghai, Universiti Aeronautik dan Astronautik Beijing dan Makmal Zhangjiang. Penyelidikan itu disokong oleh Program Penyelidikan dan Pembangunan Utama Negara China, Projek Perintis Strategik Akademi Sains China (Kelas B), Program Zon Khas Penyelidikan Asas Shanghai, Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China, Persatuan Inovator Muda daripada Akademi Sains China, dan Program Belayar Bintang Inspirasi Sains dan Teknologi Shanghai.

Rajah 1. Gambarajah skematik eksperimen pecutan elektron dipacu gelombang permukaan terahertz.

Rajah 2: Hasil perolehan tenaga elektron maksimum yang diukur secara eksperimen

Rajah 3. Perbandingan kekuatan medan elektrik di dalam pandu gelombang pecutan (c) dalam keadaan ruang bebas bergandingan terahertz (a) dan pandu gelombang silinder logam (b)