[论文解读] Design of a multi-channel photonic crystal dielectric laser accelerator

Zhexin Zhao, Dylan S. Black+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2020

Photonic Crystals and Applications参考文献 29被引用 5

一句话总结

该论文提出一种多通道光子晶体介质激光加速器（MIMOSA），通过单个激光源实现多个电子束的同步加速，使总电子通量提升N倍。通过设计光子晶体，在Γ点支持相位匹配模式，其归一化频率与电子速度匹配，确保各通道具有相同的加速场，实现0.58%的能量效率（最优微脉冲电荷下），在多脉冲串运行时最高可达21%效率。

ABSTRACT

To be useful for most scientific and medical applications, compact particle accelerators will require much higher average current than enabled by current architectures. For this purpose, we propose a photonic crystal architecture for a dielectric laser accelerator, referred to as a multi-input multi-output silicon accelerator (MIMOSA), that enables simultaneous acceleration of multiple electron beams, increasing the total electron throughput by at least one order of magnitude. To achieve this, we show that the photonic crystal must support a mode at the $Γ$ point in reciprocal space, with a normalized frequency equal to the normalized speed of the phase matched electron. We show that the figure of merit of the MIMOSA can be inferred from the eigenmodes of the corresponding infinitely periodic structure, which provides a powerful approach to design such devices. Additionally, we extend the MIMOSA architecture to electron deflectors and other electron manipulation functionalities. These additional functionalities, combined with the increased electron throughput of these devices, permit all-optical on-chip manipulation of electron beams in a fully integrated architecture compatible with current fabrication technologies, which opens the way to unconventional electron beam shaping, imaging, and radiation generation.

研究动机与目标

• 解决单通道介质激光加速器（DLAs）平均电流低的局限性，以拓展其在科学与医学中的实际应用。
• 通过实现多个并行电子束，克服传统DLA中亚微米宽电子通道的固有电流限制。
• 设计一种可扩展的、与现有制造技术兼容的集成光子晶体架构，用于片上电子束调控。
• 通过单一多通道平台实现高通量、全光学电子束控制，包括加速、偏转与整形。
• 通过确定最优微脉冲电荷与聚焦条件，优化能量效率并减轻空间电荷效应的影响。

提出的方法

• 采用硅柱正方形晶格构成的二维光子晶体，设计多输入多输出硅基加速器（MIMOSA），以支持TM偏振模式。
• 通过要求在Γ点存在光子带隙模式，且其归一化频率等于电子的归一化相速度，确保电子束与电磁模式之间的相位匹配。
• 利用无限周期光子晶体的本征模分析，预测并优化多通道间的品质因数与场强均匀性。
• 应用广义本征模方法，推导出实现所有N个通道加速场一致的设计规则，从而实现电流提升N倍。
• 使用通用粒子追踪（GPT）代码模拟束流动力学，评估空间电荷效应下的发射度增长与传输效率。
• 通过计算最优微脉冲电荷（2.18 fC）与最大效率（0.58%），实现能量效率优化；在37个微脉冲组成的脉冲串下，效率最高可达21%。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子晶体D LA架构能否支持多个电子束的同步、相位锁定加速，并实现各通道场强一致？
• RQ2 何种光子晶体设计准则可确保激光驱动模式与相对论电子束在多通道间实现相位匹配？
• RQ3 MIMOSA架构的能量效率如何随微脉冲电荷与脉冲串中微脉冲数量变化而变化？
• RQ4 在亚微米宽加速通道中，需施加多强的外部聚焦场以抑制空间电荷引起的发射度增长？
• RQ5 MIMOSA平台在多大程度上可实现集成化、全光学电子束调控，包括加速与偏转？

主要发现

• 通过在Γ点设计具有与电子相速度匹配的归一化频率的光子晶体模式，MIMOSA设计实现了多通道间相同的加速场。
• MIMOSA的品质因数由无限周期结构的本征模特性决定，使设计可预测，无需进行完整有限结构仿真。
• 实现最高能量效率的最优微脉冲电荷为2.18 fC（每微脉冲1.36×10⁴个电子），对应峰值效率为0.58%。
• 在250 fs脉宽内包含37个微脉冲的脉冲串下，假设长程尾场效应可忽略，能量效率可提升至21%。
• 粒子追踪模拟表明，需施加3.8 kT的螺线管磁场以最小化发射度增长，但激光驱动的梯度聚焦提供了可行替代方案。
• 中心通道的模拟结果可代表所有三个通道，因场强分布对称，证实多通道架构中性能高度一致。