[论文解读] Design of racetrack ring resonator based dielectric laser accelerators

Huiyang Deng, Jiaqi Jiang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 3

一句话总结

本文提出一种新颖的介电激光加速器（DLA）设计，采用跑道形环形谐振器以约束并增强倏逝电场，实现电子加速。通过在11个级联阶段中采用相位锁定的激光激励，该结构在104.655 µm的距离内实现了118.312 keV的净能量增益，展示了实现高梯度、芯片集成的‘芯片上加速器’的实用路径，同时保持了场强增强。

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".

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、芯片集成的介电激光加速器（DLA），具备适合实际集成的高加速梯度。
• 解决在多个DLA级联阶段中维持强而局域化电场以实现持续电子加速的挑战。
• 实现多个谐振器级联阶段的级联相位锁定操作，以实现累积能量增益。
• 实现一种可扩展的介电基结构，支持倏逝场耦合以实现电子束控制。
• 为利用谐振光学结构实现高效、芯片集成的电子加速器提供设计框架。

提出的方法

• 利用跑道形环形谐振器在波导边缘处约束并增强倏逝电场。
• 通过级联阶段的相位锁定激光激励，同步场增强，实现连续电子加速。
• 设计谐振器几何结构，以支持高Q值，并在环形内侧边缘附近实现强场局域化。
• 优化光学相位窗口，使其与电子束的到达时间对齐，以实现高效能量转移。
• 使用电磁仿真模拟耦合谐振器阵列中的场分布与电子轨迹。
• 通过沿电子路径积分11个阶段的纵向电场分量，计算净能量增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 跑道形环形谐振器能否维持适合电子加速的高梯度电场？
• RQ2 如何通过多个谐振器级联阶段的相位锁定激励实现电子能量的累积增益？
• RQ3 在级联跑道形环形谐振器DLA中，单位长度可实现的能量增益是多少？
• RQ4 该设计能否在保持场强增强的同时，支持多个DLA级联阶段的芯片集成？
• RQ5 在谐振器阵列中，为最大化能量转移效率，最优相位窗口为何值？

主要发现

• 跑道形环形谐振器设计在104.655 µm的距离内实现了118.312 keV的净电子能量增益。
• 由于环形结构中强场约束与谐振增强，平均加速梯度达到较高值。
• 11级级联配置通过相位锁定的光激励实现了持续的电子加速。
• 该设计在保持高场强与控制能力的同时，支持多个DLA级联阶段的芯片集成。
• 环形内侧边缘的倏逝场为电子提供了强而局域的加速场。
• 该系统展示了实现可扩展、高效、紧凑的‘芯片上加速器’的实用路径。