[논문 리뷰] Design of racetrack ring resonator based dielectric laser accelerators

Huiyang Deng, Jiaqi Jiang외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 31.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전자 기체를 가속화하기 위해 증발 전기장을 구속하고 강화하기 위해 레이싱트랙형 레이저 레이저 가속기(DLA)를 제안한다. 11개의 연쇄된 스테이지에 걸쳐 위상이 동기화된 레이저 자극을 활용함으로써, 104.655 µm 거리 동안 총 에너지 증가량이 118.312 keV에 도달하며, 높은 기울기와 함께 칩 내 통합된 '칩에 가속기' 구현의 실용적 길을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel design of dielectric laser-driven accelerator (DLA) utilizing evanescent electric field of racetrack ring resonator structures. Driven by laser light with the correctly designed optical phase window, sustained acceleration of electrons with controlled deflection is shown. Based on this design, we calculate an acceleration from 30 keV to 148.312 keV in 104.655 μm using a cascaded 11-stage racetrack ring resonators. This new idea poses a solution for on-chip integration of many DLA stages, while maintains high average accelerating gradients, providing a potential practical realization for "accelerator on a chip".

연구 동기 및 목표

• 실용적 통합에 적합한 높은 가속 기울기를 지닌 작고 칩 내 장착 가능한 유전체 레이저 가속기(DLA)를 개발하기 위해.
• 지속적인 전자 기체 가속을 위해 다수의 DLA 스테이지에 걸쳐 강력하고 국소화된 전기장을 유지하는 데 도전하는 것.
• 누적 에너지 증가를 달성하기 위해 다수의 공명기 스테이지의 연쇄적이고 위상이 동기화된 작동을 가능하게 하기 위해.
• 전자 빔 제어를 위한 증발 전기장 결합을 지원하는 다이에렉트릭 기반의 구조를 제공하여 확장 가능한 설계를 가능하게 하기 위해.
• 공명 광학 구조를 사용한 고효율, 칩 내 통합 전자 가속기의 설계 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 파동도의 가장자리에서 전기장을 구속하고 강화하기 위해 레이싱트랙형 레이저 공명기를 사용한다.
• 연쇄된 스테이지에 걸쳐 위상이 동기화된 레이저 자극을 적용하여 전기장 강화를 동기화하고 지속적인 전자 기체 가속을 가능하게 한다.
• 공명기 기하구조를 설계하여 고 Q-팩터와 고리 내부 가장자리 근처의 강한 전기장 국소화를 지원한다.
• 에너지 전달 효율을 극대화하기 위해 전자 빔 타이밍과 일치하는 광학적 위상 창을 최적화한다.
• 전자기 시뮬레이션을 사용하여 결합된 공명기 어레이 내 전기장 분포와 전자 궤적을 모델링한다.
• 전자 경로를 11개의 스테이지에 걸쳐 적분함으로써 종방향 전기장 성분을 계산하여 순 에너지 증가량을 산출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이싱트랙형 레이저 공명기는 전자 기체 가속에 적합한 높은 기울기 전기장을 유지할 수 있는가?
• RQ2 다수의 공명기 스테이지에 걸쳐 위상이 동기화된 자극이 누적 전자 에너지 증가를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 연쇄된 레이싱트랙형 레이저 공명기 DLA에서 단위 길이당 달성 가능한 에너지 증가량은 얼마인가?
• RQ4 이 설계는 필드 강화를 유지하면서 다수의 DLA 스테이지 칩 내 통합을 지원할 수 있는가?
• RQ5 공명기 어레이에서 에너지 전달 효율을 극대화하기 위한 최적의 위상 창은 무엇인가?

주요 결과

• 레이싱트랙형 레이저 공명기 설계는 104.655 µm 거리 동안 총 전자 에너지 증가량 118.312 keV를 달성한다.
• 강력한 필드 구속과 고리 구조 내 공명 증폭으로 인해 높은 평균 기울기의 가속도가 달성된다.
• 11개의 스테이지로 구성된 연쇄 구조는 위상이 동기화된 광학 자극을 통해 지속적인 전자 기체 가속을 가능하게 한다.
• 설계는 높은 필드 강도와 제어를 유지하면서도 다수의 DLA 스테이지 칩 내 통합을 지원한다.
• 고리의 내부 가장자리에서 발생하는 증발 전기장은 전자에게 강력하고 국소화된 가속 전기장을 제공한다.
• 시스템은 고효율과 작고 컴act한 면적을 지닌 확장 가능한 '칩에 가속기'로의 실용적 길을 보여준다.