[논문 리뷰] Nonlinear response in high-field dielectric laser accelerators

David Cesar, S. Custodio외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 07.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 레이저 펄스에서 발생하는 비선형 광학 효과, 특히 자기위상변조가 유전체 레이저 가속기(DLAs)의 전자 동기화를 방해하여 에너지 양수를 감소시킨다는 것을 입증한다. 저자들은 레이저 펄스를 음성 분산으로 사전 보정함으로써 1.8 GV/m의 가속장과 최대 에너지 양수를 달성하였으며, 이는 펄스 형상 제어가 선형 반응 한계를 초월한 고기울기 DLA 작동에 필수적임을 증명한다.

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$^2$.

연구 동기 및 목표

• 고강도 레이저 필드가 유전체 레이저 가속기(DLAs)에서 위상 동기성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 자기위상변조와 광학 Kerr 효과가 전자 가속 효율을 떨어뜨리는 주요 비선형 현상임을 규명하는 것.
• 음성 분산을 사용한 사전 보정 전략을 개발하고 비선형 위상 왜곡을 상쇄하는 데 검증하는 것.
• 펄스 형상 제어(세기 및 위상 모두 제어)가 DLAs에서 안정적이고 고기울기 가속을 가능하게 한다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• UCLA Pegasus 광주입기에서 유도된 고광도 8 MeV 전자 빔을 사용하여 이중 격자 형광석 유전체 DLA 구조에서의 가속 필드를 탐측한다.
• 45 fs 지속시간, 0.7 J/cm² 조사량(정점 필드 9 GV/m)인 레이저 펄스를 DLA에 적용하며, 압축기 격자를 통해 이차 분산를 제어한다.
• 이론적 모델링은 에너지 양수의 푸리에 도메인 공식화를 사용한다: ΔE ∝ αE₀|ℰ(ω=0)|로, 양수는 위상 일치하는 스펙트럼 성분에 의존한다.
• 펄스 전파 시뮬레이션은 비선형 Kerr 효과와 분산를 고려하여 필드 진화와 전자 에너지 스펙트럼 예측을 가능하게 한다.
• 실험적 검증은 형광 스크린과 에너지 스펙트럼계를 사용하여 전자 에너지 변조를 측정하고, 결과를 시뮬레이션과 비교한다.
• 최적의 분산는 BBO 결정에서의 제2차 고조파 발생을 사용하여 校정하고, FROG 측정을 통해 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기위상변조와 같은 비선형 광학 효과가 고필드 유전체 레이저 가속기에서 위상 동기성에 어떻게 악영향을 미치는가?
• RQ2 음성 분산로 사전 보정하는 것이 전자 동기화를 얼마나 복원하고 에너지 양수를 향상시키는가?
• RQ3 펄스 형상 제어를 통해 비선형 효과를 완화할 경우 DLA에서 도달 가능한 최대 가속장은 얼마인가?
• RQ4 펄스 지속시간, 분산, 강도의 상호작용이 효과적인 상호작용 길이와 에너지 양수에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 45 fs 지속시간, 9 GV/m 강도의 레이저 펄스로 구동되었을 때, DLA 구조는 진공 간극에서 최대 1.8 GV/m의 가속장 강도를 생성한다.
• 고강도 펄스에서 발생하는 비선형 자기위상변조로 인해 전자 탈동기가 심각하게 발생하여, 높은 필드 강도임에도 에너지 양수가 감소한다.
• 음성 분산로 사전 보정함으로써 비선형 위상 시프트를 효과적으로 상쇄시켜, 효과적인 상호작용 길이를 연장함으로써 에너지 양수를 증가시킨다.
• 이론적 및 실험적 결과는 뛰어난 일치를 보이며, 분산를 비선형성을 상쇄하도록 조정할 경우 에너지 양수가 √τ 비례하여 증가한다.
• 펄스 형상 제어가 DLAs에서 중요한 제어 매개변수임을 입증하였으며, 다른 레이저 가속기에서 관찰된 것과 마찬가지로 환경 제어를 초월한 새로운 자유도를 제공한다.
• 이 연구는 유전체 구조에서 고기울기이고 안정적인 가속을 달성하기 위해 레이저 펄스의 세기와 위상이 정밀하게 제어되어야 한다는 점을 확인한다.