[論文レビュー] Design of racetrack ring resonator based dielectric laser accelerators

Huiyang Deng, Jiaqi Jiang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、電子加速のための表面電場を閉じ込め強化するためのラクレット型リング共振器を用いた、画期的な誘電体レーザー加速器（DLA）設計を提案する。11段階に連なる段階を位相ロックされたレーザー駆動により駆動することで、104.655 µm の距離で118.312 keV のネットエネルギー増幅を達成した。これは、高い勾配を維持しつつ、統合可能で実用的な「チップ上に加速器を搭載する」技術への実用的道筋を示している。

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel design of dielectric laser-driven accelerator (DLA) utilizing evanescent electric field of racetrack ring resonator structures. Driven by laser light with the correctly designed optical phase window, sustained acceleration of electrons with controlled deflection is shown. Based on this design, we calculate an acceleration from 30 keV to 148.312 keV in 104.655 μm using a cascaded 11-stage racetrack ring resonators. This new idea poses a solution for on-chip integration of many DLA stages, while maintains high average accelerating gradients, providing a potential practical realization for "accelerator on a chip".

研究の動機と目的

• 実用的統合に適した、高加速勾配を有するコンactなチップ上に実装可能な誘電体レーザー加速器（DLA）の開発を目的とする。
• 連続的な電子加速を実現するため、複数のDLA段階にわたり強い局所的電場を維持する課題に対処することを目的とする。
• 複数の共振器段階を段階的に位相ロックすることで、累積的なエネルギー増幅を実現するための連続的かつ位相同期された動作を可能にすることを目的とする。
• 表面電場結合を可能にする誘電体ベースの構造として、エバネッセント場を用いた電子ビーム制御を可能にするスケーラブルな構造を提供することを目的とする。
• 共振光学構造を用いた高効率でチップ統合可能な電子加速器の設計フレームワークを提供することを目的とする。

提案手法

• 波ガイド端縁におけるエバネッセント電場を閉じ込め強化するため、ラクレット形状のリング共振器を用いる。
• 段階的な共振器駆動を位相ロックされたレーザー駆動により同期させ、連続的な電子加速を可能にする。
• 共振器の幾何形状を最適化し、高いQファクターとリング内縁付近での強い電場局在化を実現する。
• エネルギー効率の高い転送を実現するため、電子バッチのタイミングと整合する光学的位相ウィンドウを最適化する。
• 電磁界シミュレーションを用いて、連結共振器アレイ内の電場分布および電子軌道をモデル化する。
• 電子の進行経路に沿って11段階にわたる縦方向電場成分を統合することで、ネットエネルギー増幅を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラクレット型リング共振器は、電子加速に適した高勾配電場を維持できるか？
• RQ2 複数の共振器段階にわたる位相ロックされた駆動により、どのように累積的な電子エネルギー増幅が実現できるか？
• RQ3 段階的ラクレット型リング共振器DLAにおける単位長あたりの達成可能なエネルギー増幅はどの程度か？
• RQ4 この設計は、電場強度を維持しつつ、複数のDLA段階をチップ上に統合可能か？
• RQ5 共振器アレイにおけるエネルギー転送効率を最大化するための最適な位相ウィンドウは何か？

主な発見

• ラクレット型リング共振器構造は、104.655 µm の距離で118.312 keV のネット電子エネルギー増幅を達成した。
• リング構造における強い電場閉じ込めと共鳴増幅のおかげで、高い平均加速勾配が達成された。
• 11段階の段階的構成により、位相ロックされた光学駆動によって持続的な電子加速が可能となった。
• 高い電場強度と制御を維持しつつ、複数のDLA段階をチップ上に統合可能である。
• リング内縁部のエバネッセント場は、電子に強い局所的加速電場を提供する。
• 本システムは、高効率でコンactなフォームファクタを備えたスケーラブルな「チップ上に加速器を搭載する」技術への実用的道筋を示した。