テラヘルツ波の電子加速に関する研究が進展

最近、中国科学院（CAS）上海光学精密機械研究所（SIPM）のLi Ruxin氏、Tian Ye氏、Song Liwei氏のチームは、テラヘルツ波での電子加速の分野で重要な進歩を遂げた。 SIPMの新世代の超高強度超短パルスレーザー統合実験装置に基づいて、研究チームは超高強度超短パルスレーザーを利用してシルク導波路を駆動し、ミリジュールレベルのテラヘルツ表面波を生成し、その表面波を電子加速により、高エネルギーテラヘルツ波発生の問題と、自由空間テラヘルツ波と導波路のエネルギー結合の低効率の問題が解決されました。 この研究では、テラヘルツ波の発生、伝送、結合を導波管内に統合し、導波管内の5 mmの距離で最高の1.1 MeVの電子エネルギー利得と210 MV/mの平均加速勾配を実現しました。これはほぼ1桁高い値です。テラヘルツ波加速による電子エネルギー利得の現在の世界記録を上回り、全光集積電子ガスペダルの研究に全く新しい道を切り開く。
小型化・一体化された電子アクセルペダルは、最先端の科学技術への応用を促進します。 過去 10 年間に開発された新興加速技術としてのテラヘルツ波による電子加速の使用は、従来の RF 加速よりも高い加速勾配を提供でき、小型で低コストの加速装置を実現する信頼性の高い方法の 1 つです。アクセルペダルの使用は、小規模の研究室や病院など、より多くの応用シナリオに拡大されることが期待されています。
テラヘルツ電子加速の現在の開発は、自由空間テラヘルツ源技術に基づいています。 テラヘルツ波は生成、収集、送信、偏光変換され、電子を加速するために使用される導波路構造に集束されます。 実験的には、導波路内のテラヘルツ加速勾配を最大化するには、光路内の散乱、反射、モード変換によるエネルギー損失を補償するのに十分なエネルギーを提供するテラヘルツ源が必要です。 光学結晶に基づくものなどの一般的なテラヘルツ源は、通常、光学素子によるテラヘルツ放射の収集と誘導、およびセグメント化された波長板または位相シフト板によるモード変換を必要とし、必然的にエネルギー損失が生じます。 自由空間におけるテラヘルツ放射と比較して、表面プラズモンポラリトン（SPP）などの媒体表面に結合した光学表面波は、テラヘルツ誘導とモード変換についてのまったく新しい考え方を提供します。
同チームは、小型レーザー加速電子源と放射光源の分野での長期にわたる探査により、テラヘルツ表面プラズモンポラリトンのコヒーレント増幅機構を発見し、高出力の表面プラズモンポラリトンコヒーレント放射源の実現を可能にした。 軸対称の金属製円筒導波路上のテラヘルツ表面等偏波励起のゾンマーフェルト波特性と、低分散基本横磁気（TM）モードに基づいて、研究チームはさらに、この高出力テラヘルツ表面等偏波励起を直接結合させた。これにより、金属製の円筒導波路を励起するフェムト秒レーザーによって生成されるミリジュールレベルのテラヘルツエネルギーと電子ビームを効果的に結合させることができ、最終的には電子の長さ5mmで最高の1.1MeVエネルギーを得ることができます。利得と平均加速勾配の 210 MV/m は、現在の国際的なテラヘルツ波駆動電子エネルギー利得の中で、ほぼ 1 桁向上する最良の結果となります。
将来的に、チームはテラヘルツ表面波モード駆動電子加速のこの新しいスキームに基づいた統合全光学電子加速技術をさらに開発し、小規模放射線源と物質検出の分野でのクロスアプリケーションを拡大します。 。
関連する研究結果は、「テラヘルツ表面波によるメガ電子ボルト電子加速」というタイトルでNature Photonicsに掲載されました。 この研究は、上海光学機械研究所、北京航空航天大学、張江研究所と共同で行われた。 この研究は、中国国家重点研究開発プログラム、中国科学院の戦略的パイロットプロジェクト（クラスB）、上海基礎研究特区プログラム、中国国家自然科学財団、若手革新者協会の支援を受けた。中国科学院および上海科学技術インスピレーションスターセイルプログラムの賞を受賞しています。

図 1. テラヘルツ表面波による電子加速実験の模式図。

図 2: 実験的に測定された最大電子エネルギー利得の結果

図3 自由空間（a）と金属円筒導波路（b）のテラヘルツ結合状態における加速導波路（c）内の電場強度の比較