Ефективний лазер на вільних електронах
1. Fisher, A., Park, Y., Lenz, M. et al. Single-pass high-efficiency terahertz free-electron laser. Nat. Photon. 16, 441–447 (2022).
2. Yan, L., Liu, Z. Efficient free electron laser. Nat. Photon. 16, 404–405 (2022).
В роботах [1, 2] досліджувався однопрохідний лазер на вільних електронах, що працює на частоті 0,16 ТГц з енергетичною ефективністю ~10%, як приклад компактних та потужних джерел енергії в терагерцовій області спектру.
На відміну від бурхливого розвитку оптичних досліджень «світло-речовина», які в основному зосереджені на збудженні та маніпулюванні атомами та валентними електронами, прогрес у керуванні колективними рухами та динамікою фононів та магнонів у матеріалах утруднюється дефіцитом відповідних джерел випромінювання, що працюють в терагерцовому діапазоні спектра (від 0,1 до 10 ТГц). Крім того, зростаючий попит на нелінійне та нерезонансне збудження, а також контроль матеріалів потребує терагерцових джерел з підвищеною ефективністю та більш високою вихідною потужністю.
Вчені з Каліфорнійського університету, Фішер А. зі співавторами, опублікували статтю в журналі Nature Photonics [1], де продемонстрували потенційне вирішення проблеми у вигляді компактного однопрохідного терагерцового (ТГц) лазера на вільних електронах (ЛВЕ) з надзвичайно високою енергоефективністю.
Багато зусиль було присвячено розробці компактного, потужного та перебудовуваного терагерцового джерела. Зокрема, можна відзначити, що популярні оптичні підходи, що використовують оптичне випрямлення або параметричні коливання, мають обмеження щодо вихідної потужності та ефективності, що залежать від порогу пошкодження середовища підсилення [Tian, Q. et al. Opt. Express 29, 9624–9634 (2021), Nawata, K. et al. Sci. Rep. 9, 726 (2019)]. Для пристроїв вакуумної електроніки, які зараз працюють на частоті нижче ТГц, важко розширити роботу на більш високих частотах через труднощі зі зменшенням поперечного розміру апертури та пікової потужності, обмеженої енергією нерелятивістських електронних пучків. ЛВЕ представляють корисну альтернативу, оскільки вони можуть генерувати випромінювання високої яскравості, що простягається від ТГц до частот жорсткого рентгенівського випромінювання [Emma, P. et al. Nat. Photon. 4, 641–647 (2010)]. У ЛВЕ, коли релятивістські електрони проходять через періодично змінну магнітну структуру, що називається ондулятором, вони випромінюють синхротронне випромінювання. У той час як випромінювання, що генерується, зсувається вперед порівняно з електронами, резонансне підсилення може мати місце, коли зсув випромінювання точно непарно кратний довжині хвилі. Однак у довгохвильовому режимі ТГц ЛВЕ страждають від ефектів ковзання або так званого сповзання та дифракції, коли підсилене випромінювання сповзає вперед і відхиляється, обмежуючи вихідну пікову потужність і загальну ефективність.
В своїй роботі Фішер та співавтори пропонують зменшити ці шкідливі ефекти і демонструють компактний однопрохідний ТГц ЛВЕ з вражаючою ефективністю до ~10% за допомогою ондулятора довжиною менше одного метра. Ключем до високої ефективності є поєднання двох різних концепцій у фізиці прискорювача, щоб обмежити як поперечне, так і поздовжнє «розходження» між електронним пучком і полем випромінювання.
Перша концепція полягає у використанні хвилеводу для обмеження випромінювання, що генерується, в поперечному напрямку та зменшення дифракції. Хвилевод також забезпечує дисперсію, необхідну для узгодження групової швидкості поля випромінювання із середньою поздовжньою швидкістю електронного пучка. Таким чином, синхронізований по часу електронний пучок резонансно взаємодіє з полем і втрачає свою потужність протягом майже одноциклового імпульсу (рис.1), що призводить до значно більшої відносної ширини смуги (~50%) хвилеводного ЛВЕ у порівнянні з випадком вільного простору, де ширина смуги обернено пропорційна кількості ондуляторних періодів.
Щоб максимізувати вилучення енергії з інжектованого електронного пучка, другим критичним елементом є реалізація посиленого стиснення стимульованого надвипромінювання (англ. TESSA) [Duris, J. et al. New J. Phys. 17, 63036 (2015)]. У цій схемі профіль магнітного поля параболічно звужується вздовж лінії пучка, щоб підтримувати резонансну взаємодію з уповільненим електронним пучком. У неконусному випадку невідповідність швидкостей між (уповільнювальними) електронами та полем призводить до сповзання в пондеромоторній фазі і, отже, призводить до зменшення взаємодії та зменшення енергії вихідного імпульсу. Ці дві концепції разом забезпечують умову нульового ковзання, коли пондермотивний фазовий зсув і часове розходження між електроном і підсилюваним полем усуваються, так що вилучення резонансної енергії гарантується протягом усієї взаємодії.
Рис. 1. | Схема стиснено-підсиленого ТГц ЛВЕ з нульовим ковзанням. Електрони циркулюють у хвилеводі і резонансно взаємодіють з модою TE11, так що огинаюча поля залишається суміщеною в часі з пучком. Джерело: Fisher, A. et al. Nat. Photon (2022).
Щоб пом’якшити ефект сповзання, звичайні ТГц ЛВЕ використовують досить довгі (багато довжин хвиль) електронні пучки з низьким струмом для стимулювання підсилення ЛВЕ в резонаторі. Незважаючи на те, що можна генерувати ТГц-випромінювання з високою середньою потужністю (близько 10 Вт), ця конфігурація знижує пікову потужність та ефективність отримання енергії. Крім того, конфігурація резонатора також вимагає електронної гармати з високою частотою повторення. В противагу цьому, покращена взаємодія, що забезпечується дизайном ЛВЕ, запропонованим Фішером та його колегами, дозволяє авторам досягти високої енергоефективності та вихідної пікової потужності лише за один прохід через ондулятор.
Інші схеми також були запропоновані для дослідження шляхів вирішення проблеми сповзання в ТГц, але зіткнулися з труднощами в подальшому одночасному покращенні пікової потужності та енергоефективності. Наприклад, інший спосіб додаткового збільшення пікової потужності та полегшення збитку зменшення втрат від ковзання — покращити поздовжню когерентність електронного пучка. Інтенсивно вивчаються передові методи поздовжнього стиснення та формування згустків [Zhang, Z. et al. Phys. Rev. Lett. 116, 184801 (2016), Feng, H. et al. Phys. Rev. Appl. 15, 44032 (2021)].
Потужність випромінювання, що витягується із попередньо згрупованого пучка, сильно сконцентрована у вузькій частотній смузі, що значно посилює резонансну взаємодію між ТГц і матеріалами. У той час як вузькосмугові ТГц-імпульси можуть бути посилені за допомогою формування згустків, пікова потужність доступних на даний момент широкосмугових ТГц-джерел залишається відносно низькою через ефект сповзання, який обмежує пікову пондеромоторну силу, доступну в терагерцевому нерезонансному та сильнопольовому керуванні.
І навпаки, нещодавно були зроблені спроби використати ефект сповзання, коли конструктивно інтерференція компонентів різних частот випромінювання чірпованого мікро згустку в сильно звуженому ондуляторі генерує квазі-напівперіодичний імпульс [Goryashko, V. A. Phys. Rev. Accel. Beams 20, 80703 (2017), Zhang, H. et al. Phys. Rev. Accel. Beams 23, 20704 (2020)]. Однак така схема заснована на спонтанному випромінюванні, що потенційно може призвести до зниження ефективності вилучення енергії та доступної пікової потужності.
У своїх експериментах, проведених в лабораторії Каліфорнійського університету, Фішер зі співавторами генерували стиснений електронний пучок з енергією 5,5 МеВ із зарядом до 200 пКл, який запускався в конусний спіральний ондулятор. Конічний спіральний ондулятор складався з подвійного набору постійних магнітів, складених за схемою Хальбаха, повернутих і зміщених на 90° один відносно одного. Ондулятор загальною довжиною 0,96 м складався з 28 повних періодів з довжиною періоду 32 мм, а також вхідної та вихідної секції. Профіль магнітного поля конічного ондулятора оптимізували за допомогою моделювання, а також вимірювали та налаштовували за допомогою датчиків. Круговий хвилевод діаметром 4,54 мм служив ТГц хвилеводом, що підтримував моду TE11, а також вакуумною трубою в ондуляторі. Умова нульового ковзання дає резонансну довжину хвилі 0,16 ТГц.
Використовуючи інструменти для діагностики фазового простору, вимірюють середню втрату енергії порядку 10%, при цьому деякі електрони втрачають більше 20% своєї кінетичної енергії. Вимірюючи за допомогою піроелектричного детектора і враховуючи втрати в ТГц транспортних лініях, автори оцінили, що електронний пучок генерує майже одноцикловий ТГц імпульс із загальною енергією випромінювання 50 мкДж на виході з ондулятора. Для подальшого дослідження резонансної природи взаємодії автори досліджують ТГц випромінювання як функцію енергії інжектованого пучка. У міру налаштування енергії перехід від нормального резонансного стану до умови нульового ковзання чітко спостерігається на частоті 0,16 ТГц як максимальне сповільнення електронів і, як наслідок, максимальна ТГц енергія.
Хоча поточна демонстрація успішно проводиться на досить низькій частоті 0,16 ТГц, запропонована стратегія може бути розширена на більш високі частоти, зберігаючи відносно високу ефективність перетворення з наявною на даний момент технологією. Для більш високих частот потрібні електронні пучки з більшою енергією і меншою довжиною згустку, а діаметр хвилеводу повинен бути меншим, щоб задовольнити умову нульового ковзання.
Зі збільшенням енергії пучка відношення радіусу траєкторії спірального пучка до радіусу хвилеводу залишається меншим ~0,5, що вказує на експериментальну можливість розширити режим роботи вище 1 ТГц. Однак природна сила фокусування ондулятора зменшується зі збільшенням енергії пучка. Зрештою, цей метод буде обмежений труднощами узгодження розміру пучка, щоб уникнути ослаблення пучка, а також труднощами подальшого стиснення електронного згустку. На більш високих частотах методи формування згустків або введення зовнішнього ТГц випромінювання можна розглядати як варіант для запуску когерентного випромінювання. Автори прогнозують, що коефіцієнт масштабування частоти до 100 може бути досягнутим до тих пір, поки не відбудеться значне ослаблення пучка. Подальше покращення регульованості також може бути досягнуто за допомогою плоскої ондуляторної геометрії та хвилеводу з регульованою щілиною [Curry, E. et al. New J. Phys. 18, 113045 (2016)].
Автори продемонстрували, як використання хвилеводу має вирішальне значення для подолання двох важливих недоліків довгохвильових ЛВЕ — дифракції та сповзання, – що дозволяє повністю скористатися перевагами променів високої яскравості від фотоінжекторів та сильного ондуляторного звуження. Вони показали 10% ККД на частоті 160 ГГц на довжині менш ніж 1 м, використовуючи пучок у кілька пікосекунд. Компактні високоефективні однопрохідні терагерцові ЛВЕ відкриють потенціал для досягнення надзвичайно високих полів у високо затребуваній області електромагнітного спектру, відкриваючи абсолютно нові можливості для терагерцової науки.
За останні кілька десятиліть дослідники стали свідками інтенсивної гонки за компактними, потужними та високоефективними ТГц джерелами енергії. Ці постійні зусилля, ймовірно, змінять парадигму науки про ТГц, а також принесуть користь науковим спільнотам, що працюють у галузях оптики, електроніки та фізики прискорювачів. Результати, отримані Фішером зі співавторами є важливим здобутком у розробці ТГц джерел енергії з високою енергоефективністю. Перша демонстрація концепції TESSA в цьому режимі з високим коефіцієнтом підсилення є важливим прогресом для ТГц науки, а також відкриває перспективний шлях для майбутніх джерел екстремального ультрафіолетового/рентгенівського випромінювання на основі ЛВЕ та прискорювачів оберненого ЛВЕ типу.