[論文レビュー] Scheme for generating and transporting THz radiation to the X-ray experimental floor at the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LCLS施設の使用済み電子ビームから発生する整合性のあるテラヘルツ（THz）放射を、アイris波ガイド（周期的に配置された金属スクリーンを有する準光学的伝送路）を用いて、X線実験フロアへ効率的に伝送する、コンactで低コストな手法を提案する。この手法により、ダンプエリアの通路迷路を100メートル以上にわたり、回折制限された伝送が可能となり、自由空間放射効率の約80％を達成し、0.06 mm波長で最大0.3 GWのTHzパワーを実現する。

ABSTRACT

This paper describes a novel scheme for integrating a coherent THz source in the baseline of the LCLS facility. Any method relying on the spent electron beam downstream of the baseline undulator should provide a way of transporting the radiation up to the experimental floor. Here we propose to use the dump area access maze. In this way the THz output must propagate with limited size at least for one hundred meters in a maze, following many turns, to reach the near experimental hall. The use of a standard, discrete, open beam-waveguide formed by periodic reflectors, that is a mirror guide, would lead to unacceptable size of the system. To avoid these problems, in this paper we propose an alternative approach based on periodically spaced metallic screens with holes. This quasi-optical transmission line is referred to as an iris line. We present complete calculations for the iris line using both analytical and numerical methods, which we find in good agreement. We present a design of a THz edge radiation source based on the use of an iris line. The proposed setup takes almost no cost nor time to be implemented at the LCLS baseline, and can be used at other facilities as well. The edge radiation source is limited in maximally achievable field strength at the sample. An extension based on the use of an undulator in the presence of the iris line, which is feasible at the LCLS energies, is proposed as a possible upgrade of the baseline THz source.

研究の動機と目的

• LCLSのベースライン施設に統合可能な、コストおよび時間効率の高い整合性THz光源の開発を目的とする。
• ダンプエリア通路の制限された迷路状の経路を100メートル以上にわたりTHz放射を伝送する課題を解決することを目的とする。
• 超高速科学におけるポンププローブ実験におけるTHzパルスとX線パルスの内在的同期を可能とすることを目的とする。
• 長距離伝送においてビーム品質を維持し、回折損失を最小限に抑える伝送システムの設計を目的とする。
• LCLSを越えて他のXFEL施設にも適用可能なスケーラブルなソリューションの提案を目的とする。

提案手法

• 周期的に配置された金属スクリーンに穴をあけた、オープンで準光学的ビーム波ガイド（特にアイrisライン）を用い、THz放射をガイドする。
• アイris波ガイドの固有モードおよび伝送特性をモデル化するために、数値的（Fox-Li法）および解析的（Vainstein法）な手法を併用する。
• 光源をアイris波ガイド内に直接発生させることで、光源と伝送路間の空間モードマッチングを確保し、結合損失を最小限に抑える。
• グリーン関数理論を用いて、アイris波ガイド環境下における端縁放射およびアンジュレータ放射の電磁界方程式を解く。
• 波ガイドのパラメータ（アイris半径 a ≈ 5 cm、間隔 b ≈ 30 cm）を最適化し、低回折損失（100 mあたり約10％）と高い伝送効率を達成する。
• エッジ放射およびアンジュレータ放射を潜在的光源として検討し、より高い場強度を求める将来的なアップグレードとしてアンジュレータ放射を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のダンプエリア通路迷路を用いて、コンパクトで低コストなTHz光源をLCLSのベースライン施設に統合可能か？
• RQ2 制限された多方向屈曲路を通って100メートルにわたるTHz放射を、回折および損失を最小限に抑えて伝送する方法は何か？
• RQ3 準光学系において、伝送効率とモードマッチングを最大化する波ガイドの幾何形状およびモード構造は何か？
• RQ4 アイris波ガイドは、発生したTHz放射の偏光および対称性をどの程度保持するか？
• RQ5 この伝送方式を用いることで、サンプル位置でどの程度のピーク出力およびスペクトル特性が達成可能か？

主な発見

• Fresnel数が約100（a ≈ 5 cm、b ≈ 30 cm、λ ≈ 0.1 mm）の条件下で、基本モードの100メートル伝送における回折損失は約10％に達する。
• サンプルにおける実際の放射エネルギーと自由空間放射エネルギーの比 W/W_fs は、λ ≈ 0.06 mm で約0.8に達し、高い伝送効率を示している。
• 10サイクルパルスにおいて、0.06 mm波長で0.3 GWのピークTHzパワーが達成可能であり、これは約1原子サイズあたり1 Vの高場強度限界に近い。
• Fox-Li数値シミュレーションとVainstein解析的手法による固有モード計算の結果は、極めて良好に一致しており、理論モデルの妥当性が裏付けられている。
• 波ガイド内で放射が生成される場合、光源の放射モードは自然にアイris波ガイドモードにマッチするため、結合損失が最小限に抑えられる。
• 提案された構成は、LCLSのエネルギー範囲で実現可能であり、将来的にアンジュレータ放射を用いたより高い場強度のアップグレードにも対応可能である。