CN116723624A - 基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法，电子加速器包括硅基片、表面等离激元加速结构以及激光泵浦源，其中，表面等离激元加速结构形成在硅基片上，由多个表面等离激元加速单元变周期级联而成，每个表面等离激元加速单元形成单个加速腔；激光泵浦源出射激光并作用于加速腔内壁，加速腔内壁受激形成等离激元加速电场，该等离激元加速电场作用于待加速电子束团以实现对电子加速。该电子加速器及加速方法基于激光驱动，借助表面等离激元电子加速器的变周期级联，达到对电子进行长距离的加速的效果。

Description

基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法

技术领域

本发明属于片上电子加速技术领域，具体一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法。

背景技术

粒子加速器是现代科技领域中非常重要的研究工具，它能够加速带电粒子到高速度，并在它们与物质相互作用中产生有趣的物理效应。近年来，随着技术的不断进步，粒子加速器得到了快速的发展，可以实现更高时空分辨率结构的研究和应用，如高能物理实验、核能研究、医学诊断和治疗等等。然而，目前现代粒子加速器的广泛应用受到了一些限制。首先，粒子加速器的基础设施规模巨大，需要占用大面积的土地和建造巨大的设施。其次，为了让粒子加速器达到高能量和高精度的效果，需要消耗大量的能源，使得其运行成本极高。这些因素都制约了粒子加速器的应用范围和推广速度，在某些领域甚至无法满足实际需要。因此，现代科技领域急需探索更紧凑和更易于广泛使用的加速器技术，以构建物理尺寸更小、成本更低的新型加速器。这种新技术的开发对于现代科技领域的发展具有巨大的潜力和价值。利用这些新技术，可以在更小的空间内建造更强大的加速器，同时减少能源消耗和降低运行成本，使得粒子加速器走向更广泛的应用领域。

为了解决粒子加速器基础设施规模和能源消耗的限制，现代科技领域正在积极探索更加紧凑和易于广泛使用的加速器技术。这些新型加速器可以具有更小的物理尺寸和更低的成本，并且可以在更广泛的领域得到应用。目前有许多新型加速器技术被提出，例如激光等离子体加速器、强磁聚焦器、微波加速器等。其中，激光等离子体加速器因其高效、高亮度、高重复频率等特点被广泛关注。这种加速器技术利用激光脉冲产生等离子体波浪并将带电粒子加速到极高的速度。与传统的粒子加速器相比，激光等离子体加速器可以大大减少占用的空间和能源消耗，并且可以实现更高的重复频率，进一步提高加速效率。此外，强磁聚焦器技术也被广泛研究，它可以通过使用强磁场和磁透镜将带电粒子聚集在一起，从而加速带电粒子的速度。这种技术可以在相对较小的空间内实现高度精细的加速，从而使得加速器运行更加高效并且成本也更低。总之，探索更紧凑和易于广泛使用的加速器技术是现代科技领域的重要任务之一。这些新型加速器技术可以大大降低能源消耗、减小占用的空间，并且具有更高的效率和更低的成本。随着这些技术的不断发展和成熟，它们将在各个领域发挥巨大的作用，促进科学的发展和推动社会的进步。

微纳芯片加速器（Microchip Accelerator, MA）是粒子加速器的新兴研究方向之一，其具有小型化、高效率和低成本等特点，正在受到广泛的关注。然而，在MA的研究中，目前还面临着很多技术难题，其中最主要的问题之一就是实现对粒子的长距离加速。

为了解决这个问题，表面等离激元电子加速器被提出并得到了广泛的关注。这种加速器利用表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的光学近场增强效应来提高驱动激光-加速电场转换效率，并且它可以实现高效的电子加速。但是目前该类型的加速器的研究仍然停留在单个加速单元，没有实现对电子进行长距离的加速。要想实现表面等离激元电子加速器的长距离加速，需要解决许多技术难题。例如，在实际的加速器中，由于粒子束的离散性，同一束电子的动量分布很广，因此需要设计出能够适应不同电子动量分布的加速装置。此外，由于表面等离激元只能在金属表面上产生，因此需要解决将表面等离激元耦合到加速结构中的问题。这些技术难题需要通过不断地研究和实验来解决。总之，表面等离激元电子加速器作为微纳芯片加速器研究领域的一种新型加速器技术，具有很大的潜力。目前虽然该类型的加速器还无法对电子进行长距离的加速。

发明内容

为克服上述传统片上集成电子加速器面临的问题，本发明的目的是提供一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法，基于激光驱动，借助表面等离激元电子加速器的变周期级联，达到对电子进行长距离的加速的效果。

为实现上述发明目的，实施例提供的一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，包括硅基片、表面等离激元加速结构以及激光泵浦源，

所述表面等离激元加速结构形成在硅基片上，由多个表面等离激元加速单元变周期级联而成，每个表面等离激元加速单元形成单个加速腔；

所述激光泵浦源出射激光并作用于加速腔内壁，加速腔内壁受激形成等离激元加速电场，该等离激元加速电场作用于待加速电子束团以实现对电子加速。

在一个实施例中，所述表面等离激元加速单元由硅基片对称分布的金属薄片构成，金属薄片的高度大于等离激元加速电场区域的高度，两个金属薄片在硅基片上形成加速腔。

在一个实施例中，多个表面等离激元加速单元变周期级联时，表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离进行变周期处理。

在一个实施例中，表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离沿着待加速电子束团的运动方向越来越大。

在一个实施例中，所述激光泵浦源出射激光的激光功率与等离激元加速电场的峰值场强之间的转化比为80%-90%，依据转化比控制激光功率实现对等离激元加速电场的场强控制。

在一个实施例中，所述等离激元加速电场的场强与电子加速力成正比，通过控制等离激元加速电场的场强实现对待加速电子束团的加速控制。

在一个实施例中，所述表面等离激元加速结构中表面等离激元加速单元的变周期级联个数依据待加速电子束团起始能量和目标能量进行调整，其中，加速获得的总能量=表面等离激元加速单元提供的能量×单元数量。

在一个实施例中，所述激光泵浦源出射的激光为近红外激光。

为实现上述发明目的，实施例还提供了一种电子加速方法，所述方法通过上述基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器实现，包括以下步骤：

依据待加速的电子束团的起始能量和目标能量，调整硅基片上表面等离激元加速单元的级联变周期和级联数量；

控制激光泵浦源出射激光的激光功率进而控制等离激元加速电场的场强；

电子源出射待加速的电子束团到表面等离激元加速结构的输入端，电子束团受表面等离激元加速结构中等离激元加速电场作用实现加速。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

在硅基片上形成由多个表面等离激元加速单元变周期级联而成的表面等离激元加速结构，该表面等离激元加速结构受激光作用能够顾产生等离激元加速电场，待加速电子束团受该等离激元加速电场作用能够实现长距离加速效果，具有相互作用距离长、结构紧凑和易集成等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器的结构示意图；

图2是实施例提供的一种电子加速方法的流程图；

图3是实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器中腔体编号与腔体间真空漂移长度的关系图；

图4是实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器中腔体编号与腔内真空漂移时间的关系图；

图5是实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器中第14个加速腔的电子运动轨迹与能量增益图；

图6是实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器中第14加速腔的电子运动轨迹与电子总动能的关系图；

图7是实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器中14个加速腔的电子运动轨迹与总动能的关系图；

其中，1-表面等离激元加速单元，2-待加速的电子图，3-表面等离激元加速结构，4-真空漂移距离。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本发明的发明构思为：为了解决传统片上集成电子加速器面临的技术问题，本发明实施例提供了一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法，借助于表面等离激元电子加速器的变周期级联，达到对电子进行长距离的加速的效果，具有相互作用距离长、结构紧凑和易集成等技术效果。

图1是实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器的结构示意图。如图1所示，实施例提供的片上级联光学电子加速器由三个部分构成，分别为激光泵浦源1、电子束团2以及表面等离激元加速结构3，其中，激光泵浦源1输出近红外激光，电子束团2为从电子源出射的待加速电子束团，表面等离激元加速结构3由硅基片上变周期级联的表面等离激元加速单元构成。

实施例中，表面等离激元加速结构3用于提供电子束团2加速的纵向电场，其构成方式为将位于硅基片表面的等离激元加速单元进行排布，每个表面等离激元加速单元由硅基片对称分布的金属薄片构成，金属薄片的高度远大于等离激元加速电场区域的高度，两个金属薄片在硅基片上形成加速腔。激光泵浦源1用于出射激光并作用于加速腔内壁，加速腔内壁受激形成等离激元加速电场，即激光泵浦源1激发和维持表面等离激元加速电场，具体地，激光从表面等离激元加速结构3的-y方向平行于硅基片表面进行平行光形态的入射，电子束团2作为被加速对象，从表面等离激元加速结构的中心y=0处入射，沿着+x方向进行运动，在表面等离激元加速结构的每个加速腔中与等离激元加速电场进行相互作用，从而获得能量，实现加速。

实施例中，表面等离激元加速结构中的多个表面等离激元加速单元变周期级联，对表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离4进行变周期处理，即根据加速进度进行调节，以实现电子的同步加速，优选地，出射激光并作用于加速腔内壁，加速腔内壁受激形成等离激元加速电场。所示例加速腔个数一共有14个。

上述实施例提供的上级联光学电子加速器的工作原理为：当激光泵浦源1出射激光到表面等离激元加速结构3时，每个腔体内的谐振频率与相位是一致的，但是电子由于受到不断的加速，若每个腔体真空漂移距离4相等，其到达下一个腔体的谐振相位则不为电子加速的最佳相位，有可能甚至电子还会减速，因此，将每个腔体间的真空漂移距离4进行变周期处理，可以使得电子每次到达下一个腔体的谐振相位都为电子加速的最佳相位。

实施例中，表面等离激元加速结构3中表面等离激元加速单元的变周期级联个数依据待加速电子束团起始能量和目标能量进行调整，其中，加速获得的总能量=表面等离激元加速单元提供的能量×单元数量。

实施例中，激光泵浦源1出射激光的激光功率与等离激元加速电场的峰值场强之间的转化比为80%-90%，依据该转化比控制激光功率实现对等离激元加速电场的场强控制，由于等离激元加速电场的场强与电子加速力成正比，进而通过控制等离激元加速电场的场强实现对待加速电子束团束图2的加速控制。

上述实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，具有相互作用距离长度的优点。借助表面等离激元电子加速器的变周期级联，达到对电子进行长距离的加速的效果，表面等离激元加速结构的多个表面等离激元加速单元的间距根据加速进度进行调节，以实现电子的同步加速，表面等离激元加速结构的多个表面等离激元加速单元的级联个数根据在电子起始和目标能量进行调整，以实现电子和电场的不同作用长度。因此，本发明具有相互作用距离长的特点。

上述实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，具有结构紧凑和易集成的优点。现代科技领域存在探索更紧凑和更易于广泛使用的加速器技术的强烈动机，对物理尺寸更小，成本更低的新型加速器提出了需求。该片上级联光学电子加速器作为微纳芯片加速器（Microchip Accelerator，MA），可实现片上的加速器集成。因此，本发明具有结构紧凑和易集成的特点。

实施例还提供了一种电子加速方法，该方法通过上述基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器实现，如图2所示，包括以下步骤：

S210，依据待加速的电子束团的起始能量和目标能量，调整硅基片上表面等离激元加速单元的级联变周期和级联数量；

S220，控制激光泵浦源出射激光的激光功率进而控制等离激元加速电场的场强；

S230，电子源出射待加速的电子束团到表面等离激元加速结构的输入端，电子束团受表面等离激元加速结构中等离激元加速电场作用实现加速。

实施例提供的电子加速方法，基于电子束团的目标能量调整面等离激元加速单元的级联变周期和级联数量，同时控制激光泵浦源出射激光的激光功率，能够实现对电子束图案的加速控制，并达到需要的加速效果。

为了验证实施例提供的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明。

实验中用到的关键参数包括：假设单个腔体内部电场峰值为5GV/m，谐振腔振荡周期为10fs，电子初始动能300 keV。

参照图3和图4的示意，在此情况下，经过速度匹配的真空漂移距离4由于电子得到了不断的加速，其随着电子的前进逐渐变长，从第1腔体的0.68微米左右增长到了第14腔体的0.78微米左右，同时加速腔体内的飘逸时间也逐渐缩短，从第1腔体的5.6fs左右降低到了第14腔体的5.2fs左右。

参照图5和图6的示意，在此情况下，可以看到第14腔体的能量增益随着电子的运动轨迹逐渐升高至5eV，然后下降；同时，由于电子得到的是持续的加速，电子总动能从328.5keV左右提升至331keV左右。

参照图7的示意，在此情况下，电子在每个加速腔体中都得到了持续的加速，在真空漂移段中速度保持不变，经过14个加速腔体的加速，仅在约为22微米的距离中，电子的动能从初始的300 keV就可以提升至330 keV左右。可以看到第14腔体的能量增益随着电子的运动轨迹逐渐升高至5eV。

基于以上仿真可得，本发明实施例提供的一种基于表面等离激元的片上级联电子加速器，借助表面等离激元电子加速器的变周期级联，达到对电子进行长距离的加速的效果，因此，本发明具有相互作用距离长、结构紧凑和易集成等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，包括硅基片、表面等离激元加速结构以及激光泵浦源，

所述表面等离激元加速结构形成在硅基片上，由多个表面等离激元加速单元变周期级联而成，每个表面等离激元加速单元形成单个加速腔；

所述激光泵浦源出射激光并作用于加速腔内壁，加速腔内壁受激形成等离激元加速电场，该等离激元加速电场作用于待加速电子束团以实现对电子加速。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，所述表面等离激元加速单元由硅基片对称分布的金属薄片构成，金属薄片的高度大于等离激元加速电场区域的高度，两个金属薄片在硅基片上形成加速腔。

3.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，多个表面等离激元加速单元变周期级联时，表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离进行变周期处理。

4.根据权利要求3所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离沿着待加速电子束团的运动方向越来越大。

5.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，所述激光泵浦源出射激光的激光功率与等离激元加速电场的峰值场强之间的转化比为80%-90%，依据转化比控制激光功率实现对等离激元加速电场的场强控制。

6.根据权利要求5所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，所述等离激元加速电场的场强与电子加速力成正比，通过控制等离激元加速电场的场强实现对待加速电子束团的加速控制。

7.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，所述表面等离激元加速结构中表面等离激元加速单元的变周期级联个数依据待加速电子束团起始能量和目标能量进行调整，其中，加速获得的总能量=表面等离激元加速单元提供的能量×单元数量。

8.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，所述激光泵浦源出射的激光为近红外激光。

9.一种电子加速方法，其特征在于，所述方法通过权利要求1-8任一项所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器实现，包括以下步骤：

依据待加速的电子束团的起始能量和目标能量，调整硅基片上表面等离激元加速单元的级联变周期和级联数量；

控制激光泵浦源出射激光的激光功率进而控制等离激元加速电场的场强；

电子源出射待加速的电子束团到表面等离激元加速结构的输入端，电子束团受表面等离激元加速结构中等离激元加速电场作用实现加速。

10.根据权利要求9所述的电子加速方法，其特征在于，所述激光泵浦源出射的激光为近红外激光。