[論文レビュー] Internal Smith-Purcell radiation and its interplay with Cherenkov diffraction radiation in silicon -- a combined time and frequency domain numerical study

Dmytro Konakhovych, Damian Śnieżek+5 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Gyrotron and Vacuum Electronics Research参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、時間領域および周波数領域の数値的手法を組み合わせることで、接触式でない荷電粒子ビーム診断のための新規メカニズムとして、シリコン平面グレーティング内での内部スミス＝パーセル放射（iSPR）を提案する。iSPRは、従来のスミス＝パーセル放射およびチチェルコフ回折放射（CDR）とは異なり、禁止スペクトル領域において優勢となり、信号強度が高く、オンチップ波ガイドまたは光ファイバーに直接結合可能である。最適化された幾何形状において、308 THzでiSPRのピーク強度はCDRを4倍上回る。

ABSTRACT

We consider radiation generated by an electron travelling parallel to a planar rectangular silicon grating: Smith-Purcell radiation to the vacuum side, internal Smith-Purcell radiation into the dielectric, and Cherenkov radiation into the dielectric. Internal Smith-Purcell radiation dominates over the other two radiation mechanisms in the range where conventional Smith-Purcell radiation is forbidden. This observation may lead to improved design of contactless particle beam monitors.

研究の動機と目的

• 誘電体平面シリコングレーティングにおける内部スミス＝パーセル放射（iSPR）の存在と特性を調査すること。
• 単一の誘電体構造内におけるiSPRとチチェルコフ回折放射（CDR）の相乗的相互作用を分析すること。
• 非侵襲的ビーム診断のための従来の真空中SPRおよびCDRの代替としてiSPRが実用的かどうかを評価すること。
• iSPR信号を最大化すると同時に損失を最小限に抑えるための最適なグレーティング幾何形状を特定すること。

提案手法

• CST Studio Suiteを用いたPICソルバを用いた3次元時間領域シミュレーションにより、電子-グレーティング相互作用をモデル化した。
• スペクトル放射パターンの計算を補完するために、Comsol Multiphysicsを用いた2次元周波数領域シミュレーションを実施した。
• ヘイゲンズの原理および位相一致条件を適用し、式（1）を用いてiSPRの波長-角度関係を導出した：1/β − n cosθ = mλ₀/a。
• シリコンの定常屈折率n = 3.91を、λ₀ = 609 nm（通常方向における1次高調波iSPRに対応）で使用した。
• グレーティング周期（a = 200 nm）、デューティ比（F = 0.5または1）、歯の高さ（h）、およびインパクトパラメータ（d）を変化させ、それらの影響を調査した。
• グレーティング強化効果を分離するために、平面スラブからの従来のSPRおよびCDRと比較して、iSPRおよびCDRの強度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平面シリコングレーティング内で内部スミス＝パーセル放射（iSPR）を効率的に励起できるか。また、従来のSPRおよびCDRと比較して、スペクトル強度の面でどのように異なるか。
• RQ2 周期的グレーティングが、従来のSPRが禁止されるスペクトル領域において、内向き放射（iSPRおよびCDR）を強化するか。特に、その効果が顕著に現れる領域はどこか。
• RQ3 インパクトパラメータ（d）が、iSPRおよびCDRの強度およびスペクトル形状にどのように影響を与えるか。
• RQ4 歯の高さhなどのグレーティング幾何形状を最適化することで、iSPRを最大化しつつ、オンチップフォトニクス統合と互換性を保てるか。
• RQ5 iSPRは、信号強度が高く、光ファイバーや波ガイドに直接結合可能であるため、CDRよりもビーム診断に適していると考えられるか。

主な発見

• 従来のSPRが禁止されるスペクトル領域、特に308 THz近傍において、iSPR強度は従来の真空中SPRおよびCDRを上回る。
• 308 THzにおいて、グレーティングからのiSPRおよびCDRは、平面シリコンスラブからのCDRに比べて4倍の信号強度を発生する。
• インパクトパラメータdを200 nmから20 nmに減少させることで、内向きiSPRおよびCDRエネルギーは約3桁増加する。
• iSPRおよびCDRのスペクトル形状はdに強く依存しており、これによりビーム位置モニタリングへの応用が可能となる可能性がある。
• iSPRに最適なグレーティング高さhは、従来のSPRとは異なり、iSPRベースの検出器に特有の設計要件を示している。
• iSPRは誘電体内に放射されるため、光ファイバーや統合フォトニクス回路への効率的な結合が可能であり、オンチップビームセンシングへの直接的ルートを提供する。