[論文レビュー] On Generation of Photons Carrying Orbital Angular Momentum in the Helical Undulator

Andrei Afanasev, A. Mikhailichenko|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 21被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、ヘリカルウインドレーターにおける高調波が本質的に軌道的角運動量（OAM）を運ぶことを示しており、基本周波数のみがOAMを運ぶという仮定に挑戦する。古典的電磁力学および放射理論を用いて、著者らは解析的に、第1調波を超える各調波が、量子化されたOAMを有する光子を放出することを導出する。これにより、既存のウインドレーター技術を用いて、X線および極端紫外領域における構造化光の新たな生成経路が可能になる。

ABSTRACT

We analyze properties of electromagnetic radiation in helical undulators with a particular emphasis on orbital angular momentum of the radiated photons. We demonstrate that all harmonics higher than the first one radiated in a helical undulator carry an angular momentum. We discuss some possible applications of this phenomenon and the ways of effective generation of these photons in a helical undulator. We call for review of results of experiments performed where the higher harmonics radiated in a helical undulator might be involved.

研究の動機と目的

• ヘリカルウインドレーターからの放射の軌道的角運動量（OAM）成分が基本周波数を超えて存在するかを調査すること。
• 古典的電磁力学を用いて、高調波におけるOAM生成の理論的基盤を確立すること。
• ウインドレーターを用いた光源において、OAMを運ぶ光子の効率的生成および検出の実用的手段を同定すること。
• 過去の実験データを再評価し、高調波がOAM関連信号に寄与していた可能性を検討すること。
• 高度な応用を目的として、ヘリカルウインドレーターを量子化されたOAMを有する構造光子源として活用することを促進すること。

提案手法

• 著者らは、相対論的電子がヘリカルウインドレーター内を運動する際の放射場をモデル化するために、古典的電磁力学を適用する。
• 電磁場を多重極成分に分解し、各調波の角運動量密度を分析する。
• ベクトルポテンシャル形式を用いて、各調波における軌道的角運動量演算子の期待値を計算する。
• OAMを運ぶモードを特定するために、主に横方向の場の構造と位相面のトポロジーに注目する。
• 調波次数とウインドレーターのパラメータを用いて、1光子あたりのOAMの解析的表現を導出する。
• 実用的妥当性を評価するために、単一電子およびマクロな放射場の両方を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリカルウインドレーターにおける高調波は軌道的角運動量を運ぶのか、それともOAMは基本周波数に限定されるのか？
• RQ2 調波次数と1光子あたりの軌道的角運動量の大きさとの間には、どのような解析的関係があるか？
• RQ3 高調波の横方向場構造は、どのようにOAMモードを支持しているか？
• RQ4 OAM分析を明示的に行わずにウインドレーター放射が測定された既存の実験において、どのような意味合いがあるか？
• RQ5 既存のウインドレーター施設を、高調波におけるOAM生成を強化するために最適化できるか？

主な発見

• ヘリカルウインドレーターにおける第1調波を超えるすべての調波が、非ゼロの軌道的角運動量を運んでおり、OAMは整数倍のℏで量子化されている。
• 1光子あたりの軌道的角運動量は、調波次数nに比例して線形に増加し、主なモードではℓ = nとなる。
• 高調波の放射場は、OAM状態に特徴的なヘリカル位相面構造を示す。
• OAMは主に横方向の電場および磁場成分によって運ばれ、明確なトポロジカル電荷を有する。
• 理論的分析により、OAM生成はヘリカル電子軌道および放射パターンの本質的性質であることが確認された。
• 結果から、過去のウインドレーターを用いた実験では、高調波領域において意図せずOAMを運ぶ光子が生成されていた可能性があることが示唆される。