[论文解读] Scheme for generating and transporting THz radiation to the X-ray experimental floor at the LCLS baseline

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种紧凑、低成本的方案，利用一个带有周期性金属屏的亚波长波导（即光阑波导）——一种准光学传输线——将直线加速器自由电子激光装置（LCLS）中电子束耗尽后产生的相干太赫兹（THz）辐射，从电子束终止区传输至X射线实验平台。该方法可在100米长的障碍物通道内实现高效、衍射受限的传输，传输效率达到自由空间辐射效率的约80%，并可在0.06 mm波长处实现高达0.3 GW的峰值太赫兹功率。

ABSTRACT

This paper describes a novel scheme for integrating a coherent THz source in the baseline of the LCLS facility. Any method relying on the spent electron beam downstream of the baseline undulator should provide a way of transporting the radiation up to the experimental floor. Here we propose to use the dump area access maze. In this way the THz output must propagate with limited size at least for one hundred meters in a maze, following many turns, to reach the near experimental hall. The use of a standard, discrete, open beam-waveguide formed by periodic reflectors, that is a mirror guide, would lead to unacceptable size of the system. To avoid these problems, in this paper we propose an alternative approach based on periodically spaced metallic screens with holes. This quasi-optical transmission line is referred to as an iris line. We present complete calculations for the iris line using both analytical and numerical methods, which we find in good agreement. We present a design of a THz edge radiation source based on the use of an iris line. The proposed setup takes almost no cost nor time to be implemented at the LCLS baseline, and can be used at other facilities as well. The edge radiation source is limited in maximally achievable field strength at the sample. An extension based on the use of an undulator in the presence of the iris line, which is feasible at the LCLS energies, is proposed as a possible upgrade of the baseline THz source.

研究动机与目标

• 开发一种成本低、耗时少的方法，将相干太赫兹源集成到LCLS基线设施中。
• 解决在耗尽区通道内受限的、多弯道的路径中远距离（100米）传输太赫兹辐射的挑战。
• 为超快科学中的泵浦-探测实验提供太赫兹脉冲与X射线脉冲的内在同步。
• 设计一种在长距离传输中保持光束质量并最小化衍射损耗的传输系统。
• 提出一种可扩展的解决方案，适用于LCLS以外的其他XFEL设施。

提出的方法

• 采用一种开放式准光学光束波导——具体为光阑线——由周期性排列的带孔金属屏组成，用于引导太赫兹辐射。
• 结合数值方法（Fox-Li方法）与解析方法（Vainstein方法）对光阑波导的本征模和传输特性进行建模。
• 设计太赫兹源使其直接在光阑波导内产生辐射，以确保源与传输线之间的空间模式匹配。
• 应用格林函数理论求解光阑波导环境中边缘辐射与波荡器辐射的电磁场方程。
• 优化波导参数（光阑半径 a ≈ 5 cm，间距 b ≈ 30 cm），以实现低衍射损耗（100米内约10%）和高传输效率。
• 同时考虑边缘辐射与波荡器辐射作为潜在辐射源，后者可作为未来提升场强的升级方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用现有的耗尽区通道迷宫结构，在LCLS基线设施中集成紧凑、低成本的太赫兹源？
• RQ2 如何在受限的、多弯道的路径中实现100米远距离传输，同时最小化衍射与能量损失？
• RQ3 何种波导几何结构与模式分布可最大化准光学系统中的传输效率与模式匹配？
• RQ4 光阑波导在多大程度上保持了所产生太赫兹辐射的偏振态与对称性？
• RQ5 通过该传输方案，在样品位置可实现多高的峰值功率与何种光谱特性？

主要发现

• 当菲涅尔数约为100（a ≈ 5 cm，b ≈ 30 cm，λ ≈ 0.1 mm）时，光阑波导在基模下100米传输中衍射损耗约为10%。
• 在λ ≈ 0.06 mm波长处，样品处实际辐射能量与自由空间辐射能量之比 W/W_fs 达到约0.8，表明传输效率很高。
• 在10周期脉冲下，0.06 mm波长处可实现0.3 GW的峰值太赫兹功率，接近约1 V/原子尺寸的高场强极限。
• 通过Fox-Li数值模拟与Vainstein解析方法计算的本征模结果高度一致，验证了理论模型的可靠性。
• 当辐射源在波导内产生时，其辐射模式与光阑波导模式自然匹配，从而最小化耦合损耗。
• 所提出的装置在LCLS能量范围内可行，且可扩展为利用波荡器辐射实现更高场强的升级方案。