[論文レビュー] Femtosecond Transversal Deflection of Electron Beams with the Help of Laser Beams and Its Possible Applications

K.A. Ispirian, M. K. Ispiryan|ArXiv.org|Mar 28, 2003

Laser Design and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、フェムト秒スケールで相対論的電子ビームを横方向に偏光する強力なレーザー光ビームを用いて、1フェムト秒未満の電子ビームオシロスコープの作成を可能にする、横方向の偏光を引き起こす手法を提案している。短い位相安定性を持つレーザーパルスに対する相対論的電子の応答を活用することで、最大0.06ラジアンの偏光角が達成され、10 fs程度の電子パルスの時間分解能測定が可能となり、10 fs未満の解像度も潜在的に可能となる。

ABSTRACT

It is shown that the interaction of an electron beam with polarized electromagnetic wave of laser photons propagating in the same direction in a short interaction region results in significant transversal deflection of the electrons which can be used for production of femtosecond electron and synchrotron radiation beams, for chopping the electron beams and construction of laser oscilloscopes measuring femtosecond processes.

研究の動機と目的

• フェムト秒スケールのプロセスを測定するための、電子ビームの横方向偏光の手法を開発すること。
• 現在のRFキャビティベースおよびコherent放射ベースの手法に起因する制限を克服すること。これらの手法は、約10 fsの分解能に限定されており、高価である。
• 挿入装置を必要とせず、超短パルス電子およびシンクロトロン放射パルスを生成可能にすること。
• 横方向のレーザー場による偏光を用いて、レーザー駆動の電子ビームチョッパーおよびフェムト秒オシロスコープを構築すること。
• 現在の手法よりも顕著に優れた時間分解能を達成し、アットトセカンドからサブフェムト秒スケールに近づけること。

提案手法

• 相対論的因子γ ≫ 1の電子が、短い相互作用領域（L_int）を通る。この領域に、波長λ = 10 μm、強度W ≈ 10⁹ W/cm²の共進方向の線形偏光レーザー光ビームが印加される。
• 相互作用時間は短く（t_int ≈ L_int / 2c）、L_int ≪ λγ² であれば、電子は有効に一定の電場E ≈ E₀を経験する。
• 最大偏光角はα_max ≃ πγξで与えられ、ここでξ = eE / (m c ω)である。高γの電子に対しては、大きな偏光角が得られる。
• 距離L_sc ≈ 50 cmの位置に設置されたスクリーンが、ビームの横方向振動を記録し、最大変位R_max = L_sc × αとなる。
• 円偏光レーザー場、または位相制御が可能な2本の直交するレーザー系を用いることで、ビームを円運動にスイープ可能であり、周期T ≈ λ/c ≈ 33 fsとなる。
• スクリーン上に照映される弧の長さが、電子パルスの持続時間に対応し、10 fs程度の分解能での時間測定が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なレーザー場を用いて、フェムト秒スケールで相対論的電子ビームを横方向に偏光させることは可能か？
• RQ2 このような偏光が、10 fs未満の時間分解能を達成するフェムト秒オシロスコープの構築に利用可能か？
• RQ3 高γおよび低偏向角を示す電子ビームに対して、この偏光メカニズムは実用的か？
• RQ4 この手法は、既存のRFキャビティまたはコherent放射技術よりも優れた時間分解能を達成可能か？
• RQ5 電子ビームの速度分散および検出における二次発射が引き起こす制限は何か？

主な発見

• CO₂レーザー（λ = 10 μm、W ≈ 10⁹ W/cm²、E ≈ 6.3 × 10⁴ V/cm）を用い、γ = 100（ε = 50 MeV）の相対論的電子ビームでは、偏光角α ≈ 0.06ラジアンが達成された。
• L_int ≈ 5 cm、L_sc ≈ 50 cmの条件下で、ビームはスクリーン上で最大30 cmの変位を示した。
• 円偏光レーザー場を用いることで、周囲L ≈ 18.85 cmの円を33 fsの周期でスイープする。
• スクリーン上に照映される弧の長さが、直接的に電子パルスの持続時間に対応し、10 fs程度の分解能での測定が可能となった。
• 期待される時間分解能は10 fs未満であり、既存手法よりも1〜2桁優れている。
• 本手法は挿入装置を必要とせず、フェムト秒スケールの電子およびシンクロトロン放射パルスの生成が可能である。