[論文レビュー] Nonlinear response in high-field dielectric laser accelerators

David Cesar, S. Custodio+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2017

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、強力なレーザーパルスによる自己位相変調を含む非線形光学効果が、誘電体レーザー加速器（DLAs）における電子の位相同期を破壊し、エネルギー効率を低下させることを示している。著者らは、負の位相分散を用いた事前補償により、1.8 GV/mの加速場を達成し、エネルギー効率を最大化した。これは、線形応答の限界を超える高勾配D LA動作において、パルス形状制御が不可欠であることを証明している。

ABSTRACT

Laser powered dielectric structures achieve high-gradient particle acceleration by taking advantage of modern laser technology capable of producing electric fields in excess of 10GV/m. These fields can drive the bulk dielectric beyond its linear response, and break the phase synchronicity between the accelerating field and the electrons. We show how control of the pulse dispersion can be used to compensate the effect of self-phase modulation and maximize the energy gain in the laser accelerator.In our experiment, a high brightness 8MeV e-beam is used to probe accelerating fields of 1.8GV/m in a 'grating-reset' dielectric structure illuminated by a 45fs laser pulse with a fluence of 0.7J/cm$^2$.

研究の動機と目的

• 高強度レーザー場が誘電体レーザー加速器（DLAs）における位相同期に与える影響を調査すること。
• 自己位相変調および光学カー効果が、電子加速効率を低下させる主要な非線形現象であることを同定すること。
• 負の位相分散を用いた事前補償戦略を開発し、非線形位相歪みを是正すること。
• パルス形状制御（振幅と位相の両方の制御）が、DLAにおける安定的で高勾配の加速を可能にすることを実証すること。

提案手法

• UCLA Pegasus光電子注入器から得られる高輝度8 MeV電子ビームを用い、二重グレーティング構造の融珪酸ガラスDLAにおける加速場をプローブする。
• 45 fsのパルス幅および0.7 J/cm²のフラエンス（ピーク電場9 GV/m）のレーザーパルスをDLAに印加し、コンプレッサー・グレーティングを用いて2次位相分散を制御する。
• 理論的モデルでは、エネルギー効率のフーリエ領域表現を用いる：ΔE ∝ αE₀|ℰ(ω=0)| であり、エネルギー効率は位相整合したスペクトル成分に依存する。
• パルス伝搬シミュレーションでは、非線形カー効果と分散を考慮し、場の時間的変化および電子エネルギー分布の予測が可能となる。
• 実験的検証では、蛍光スクリーンおよびエネルギー分光計を用いて電子エネルギーの変調を測定し、シミュレーション結果と照合する。
• 最適な位相分散は、BBO結晶を用いた二次高調波生成とFROG測定により校正され、確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己位相変調などの非線形光学効果が、高電場における誘電体レーザー加速器の位相同期にどのように悪影響を及ぼすか？
• RQ2 負の位相分散による事前補償が、電子の位相同期をどの程度回復させ、エネルギー効率を向上させるか？
• RQ3 パルス形状制御により非線形効果を低減した場合、DLAで達成可能な最大加速場はどの程度か？
• RQ4 パルス幅、分散、強度の相互作用が、有効な相互作用長およびエネルギー効率にどのように影響するか？

主な発見

• 45 fsのレーザーパルス（ピーク電場9 GV/m）を用いた場合、DLA構造は真空中のギャップで最大1.8 GV/mの加速場を発生する。
• 高強度パルスによる非線形的自己位相変調が、顕著な電子位相差を引き起こし、高い電場強度にもかかわらずエネルギー効率を低下させる。
• 負の位相分散による事前補償が非線形位相シフトを効果的に是正し、有効な相互作用長を延長することでエネルギー効率を向上させる。
• 理論的および実験的結果は良好に一致しており、位相分散を非線形性を補償するように調整することで、エネルギー効率が√τの割合で向上することが示された。
• パルス形状制御がDLAにおいて重要な制御パrameterであることが示された。これは、他のレーザー加速器で観察されるエンvelope制御を超える、新たな自由度を提供する。
• 本研究では、誘電体構造における高勾配で安定した加速を達成するには、レーザーパルスの振幅と位相を正確に制御する必要があることが確認された。