[论文解读] Nonlinear response in high-field dielectric laser accelerators

David Cesar, S. Custodio+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2017

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用 6

一句话总结

本文表明，非线性光学效应，特别是高强度激光脉冲引起的自相位调制，会破坏介电激光加速器（DLAs）中电子的同步性，从而降低能量增益。通过使用负色散对激光脉冲进行预补偿，作者实现了1.8 GV/m的加速场并最大化能量增益，证明了脉冲整形在超越线性响应极限的高梯度D LA运行中至关重要。

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$^2$.

研究动机与目标

• 研究高强度激光场对介电激光加速器（DLAs）中相位同步性的影响。
• 识别自相位调制和光学克尔效应作为降低电子加速效率的关键非线性现象。
• 开发并验证一种利用负色散进行预补偿的策略，以抵消非线性相位失真。
• 证明脉冲整形——控制脉冲的振幅和相位——可实现D LA中稳定且高梯度的加速。

提出的方法

• 使用来自加州大学洛杉矶分校Pegasus光阴极注入器的高亮度8 MeV电子束，探测双光栅熔融石英D LA结构中的加速场。
• 施加脉宽45 fs、能量通量0.7 J/cm²（峰值场强9 GV/m）的激光脉冲，通过压缩光栅控制二阶色散。
• 理论建模采用能量增益的傅里叶域公式：ΔE ∝ αE₀|ℰ(ω=0)|，表明增益取决于相位匹配的光谱分量。
• 脉冲传播模拟考虑了非线性克尔效应和色散，可预测场演化和电子能量谱。
• 实验验证通过荧光屏和能量谱仪测量电子能量调制，结果与模拟进行对比。
• 通过BBO晶体中的二次谐波生成校准最优色散，并通过FROG测量确认。

实验结果

研究问题

• RQ1 自相位调制等非线性光学效应如何在高场强介电激光加速器中破坏相位同步性？
• RQ2 负色散预补偿在在多大程度上可恢复电子同步性并提升能量增益？
• RQ3 当通过脉冲整形抑制非线性效应时，D LA中可实现的最大加速场强是多少？
• RQ4 脉冲持续时间、色散和强度之间的相互作用如何影响有效相互作用长度和能量增益？

主要发现

• 当由9 GV/m、45 fs的激光脉冲驱动时，D LA结构在真空间隙中产生1.8 GV/m的峰值加速场。
• 高强度脉冲引起的非线性自相位调制导致显著的电子去同步，尽管场强很高，但能量增益仍被降低。
• 通过负色散进行预补偿可有效抵消非线性相位偏移，通过延长有效相互作用长度提升能量增益。
• 理论与实验结果高度一致，当色散被调节以抵消非线性时，能量增益随√τ增加。
• 研究表明，脉冲整形是D LA中的关键控制参数，提供了超越包络控制的新自由度，与其它激光加速器中的现象类似。
• 本研究证实，必须精确控制激光脉冲的振幅和相位，才能在介电结构中实现高梯度、稳定的加速。