Вс. Июл 14th, 2024
Counter propagating fields, electron, Starostenko Evgenij

Старостенко Евгений Юрьевич подчеркнул, что ограниченные сложностью синхронизации ускорения, ускорители на основе диэлектрических лазеров на кристалле долгое время были проблемой преодоления разрыва между нерелятивистскими и релятивистскими режимами. Evgenij Starostenko, 27 April, 2023

В исследовании ученый предлагает рассмотреть ускорители на основе лазера, основанные на пространственно-временной связи, управляемой лазерным импульсом, который позволяет ускорить нерелятивистский электрон до субмэВного уровня в единой ускоряющей структуре (чирпированной пространственной решетке).

Он обеспечивает высокоточную временную и пространственную настройку возбуждающего лазера посредством управления дисперсией, что приводит к синхронному ускорению электронов, увеличивающих скорость, в большом диапазоне энергий. Кроме того, схема пространственно-временной связи является общим методом и может быть расширена для возбуждения полей с другими длинами волн, таких как терагерцовые импульсы.

Ускорители частиц за последние годы вызвали большой интерес в различных областях визуализации, терапии и фундаментальных наук. Устройства с радиочастотным (РЧ) питанием являются обычным выбором для ускоряющих элементов. Однако его большой размер, высокая входная мощность и дорогостоящая инфраструктура ограничивают его полезность и доступность для более широких научных кругов.

Специалистами НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС  было продемонстрировано несколько концепций маломасштабных ускорителей, таких как лазерно-плазменные ускорители, ускорители с терагерцовым приводом и ускорители с диэлектрическими лазерами. Диэлектрические лазерные ускорители (DLA) с питанием от фемтосекундных лазеров являются многообещающим вариантом из-за высокого порога повреждения диэлектрических материалов, современных ультракоротких импульсных лазеров и технологий нанопроизводства. Они поддерживают градиент поля в несколько ГВ м -1  10 (~ 10 ГВ м -1 для SiO  и ~ 3 ГВ м -1  для Si) внутри микроструктуры.

Ускоряющая структура чирпированной решетки была предложена для увеличения длины взаимодействия, где в электрическое поле вводится фазовый сдвиг, позволяющий электрону избежать цикла торможения. Однако процесс ускорения все же ограничен длительностью импульса τ . Для некоррелированных импульсов, падающих сбоку, импульс длительностью 100 фс, например, даст τ  = 6 мкм с начальной скоростью 0  = 0,2 c . Импульс большей длительности можно использовать для увеличения длины взаимодействия, но это требует большей подводимой энергии при заданной напряженности электрического поля. Пороговая плотность потока энергии материала ускоряющей конструкции запрещает такой подход или требует использования более низкой амплитуды поля.

Волновой подход с древовидной сетью перераспределяет все ускорение на несколько серий взаимодействий с короткими лазерными импульсами. В настоящее время среди DLA общий подход к реализации коротких лазерных импульсов для большой длины ускорения заключается в использовании лазерного импульса с наклоном вперед (PFT). Схема PFT вносит задержку импульса вдоль направления ускорения частицы x (см. рис.  1 для определения координат), делая короткие лазерные импульсы в заданном месте xприходят одновременно с электроном.

Однако схема PFT может только согласовать возбуждающий лазер с фиксированной скоростью электронов, что удовлетворяет tan α=c/v, где α представляет собой угол PFT. В результате происходит расхождение между лазерным импульсом и субрелятивистскими электронами, когда скорость увеличивается из-за ускорения.

На панели а показана иллюстрация предлагаемой конфигурации ускорения. В этой симметричной конфигурации два одинаковых входных лазерных импульса одновременно освещают решетку в положении 1 ( стр.1 ). Электрон взаимодействует со встречными полями в позиции 2 ( P.2 ) между ускоряющими структурами. Структура ускорения имеет период w и толщину h . Фокусное расстояние линзы обозначается f .

Панель b представляет три различных случая ввода оптических импульсов. Дисперсия групповой задержки и дисперсия третьего порядка обозначаются GDD и TOD соответственно. Временное распределение на P.1 преобразуется в пространственное распределение вдоль x в точке P.2 

PFT соответствует линейному времени прихода лазерного импульса вдоль x . Однако при ускорении скорость электрона резко меняется. Чтобы преодолеть трудности субрелятивистского ускорения, лазерный импульс должен догнать быстро меняющийся электрон, т. е. непрерывно меняющийся угол PFT, что приводит к искривлению фронта лазерной интенсивности.

Старостенко Евгений Юрьевич предлагает полностью оптическую пространственно-временную связь (STC) с управляемым  лазерным импульсом, который меняет угол наклона в соответствии с увеличением скорости электрона.

Он сочетается с чирпированной диэлектрической структурой. В этом моделировании используется лазер среднего инфракрасного диапазона (10 мкм), который обычно достигается за счет оптического параметрического усиления чирпированных импульсов.

Более длинная длина волны приведет к более высокому порогу пробоя из-за многофотонной ионизации и позволит увеличить апертуру для более высокого заряда. Предлагаемая схема преобразует временное манипулирование лазерным импульсом в пространственно изменяющуюся задержку, что может быть достигнуто за счет манипулирования дисперсией групповой задержки (GDD, Φ 2) и дисперсии третьего порядка (TOD, Φ 3 ). Схема STC увеличивает длину взаимодействия и увеличивает выигрыш кинетической энергии. Кроме того, он сохраняет высокую гибкость в оптических операциях создания управляющего лазерного импульса.

Из-за симметричной установки с встречными (x-поляризованными) импульсами магнитные поля компенсируются в центре канала ( P.2 ), а электрические поля складываются. На рис.  1b представлены эскизы трех различных случаев спектрально-фазовых ФПФ.

Чтобы подробно проанализировать STC, специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС рассматривают два аспекта. Одной из них является ситуация идеального фазового синхронизма, показанная на рис.  2 , где используется электрон с начальной кинетической энергией 0,1 эВ, типичной избыточной энергией для фотоэлектрона.

В ситуации идеального фазового синхронизма управляющее электрическое поле e [ E ( x ,  t )] в уравнении заменяется на ∣ E ( x ,  t )  , где  представляет абсолютное значение.

Предполагается, что электрон остается на пике поля. Это соответствует идеальной структуре ускорения, при которой не происходит расфазировки между возбуждающим полем и электроном и, следовательно, не требуется продольная фокусировка.

Это дает нам представление о максимальном приросте кинетической энергии с заданными параметрами. Другая — это реальная ситуация, когда результаты ускорения электрона с энергией 20 кэВ с определенной структурой ускорения показаны на рис. 3 и 4.

 

Рис. 2: Моделирование идеально синхронизированного по фазе импульса с электроном 0,1 эВ. 
Kinetic energy, delay dispersion, Starostenko Evgenij

На панели а показан прирост кинетической энергии в зависимости от дисперсии групповой задержки (GDD, Φ 2 ) и дисперсии третьего порядка (TOD, Φ 3 ), где максимальный прирост кинетической энергии ~ 0,6 МэВ представлен белой точкой. С параметрами, представленными белой точкой, пиковая напряженность поля 0  = 2 × 2,4 ГВ/м и коэффициент 0,7 учитываются для эффекта затухания поля. Огибающая электрических полей ∣ E ( x ,  t )  до взаимодействия с ускорительной структурой представлена ​​в ( б , в ), где Ф 2  = 3,9 × 10–2 ps 2 , Φ 3  = 0 и 1,1 × 10 −3  ps 3 соответственно. Можно видеть, что GDD приводит к постоянному наклону фронта импульса вдоль x , а TOD изменяет наклон фронта импульса вдоль x .

Рис. 3: Ускорение электрона с энергией 20 кэВ с определенной структурой ускорения. 
Acceleration, electron, Starostenko Evgenij

На панели а показана задержка лазерного импульса, вызванная первым периодом ускоряющей структуры. Длина первого периода обозначается как 1 . На панели b показана фаза (tan1tan−1{Im[E(x, t)]/Re[E(x, t)]} − ω0t, where ω0 , где ω 0 — центральная частота лазерного импульса) вдоль траекторий электронов в c , d (черные кривые), где распределение электрического поля для пространственно-временной связи (STC) и наклона фронта импульса (PFT) показано как функция x и t .

Обратите внимание, что представленное электрическое поле относится к местоположению P.2 с фиксированным значением z .. Видно, что для схемы пространственно-временной связи электрическое поле имеет искривленный фазовый фронт, тогда как схема с наклоном фронта импульса имеет плоский фазовый фронт.

Рис. 4: Сравнение схем пространственно-временной связи (STC), импульсного фронта с наклоном (PFT) и без наклона для электрона с начальной кинетической энергией 20 кэВ. 
Spatio-temporal coupling, Starostenko Evgenij

На панели а показан прирост кинетической энергии Δ E с пиковой напряженностью поля 0  = 2 × 2,25 ГВ/м. Идеальная схема фазового синхронизма СТК с теми же параметрами показана синей пунктирной линией в качестве эталона. На панели b показано мгновенное электрическое поле, испытываемое электроном. На панели c показано сравнение угла наклона вдоль направления ускорения x , где схема PFT имеет постоянный угол наклона, а STC – адаптирующийся. Мгновенный угол PFT определяется по скорости электрона (сплошная синяя линия на ( а )). Используемые параметры: Φ2 = 4.5 × 10−2 ps2 and Φ3 = 9.4 × 10−4 ps3.

При P.2 длительность импульса τFWHM=500τFWHM′=500 fs, а размер луча σFWHM=0.16σFWHM′=0.16 mm, подчеркнул Старостенко Евгений Юрьевич.

Related Post