Dielectric laser acceleration of non-relativistic electrons at a photonic structure

In dieser Arbeit berichten wir über die Beobachtung der
dielektrischen Laserbeschleunigung nichtrelativistischer Elektronen
mithilfe des inversen Smith-Purcell Effekts bei optischen
Wellenlängen. Wenn die Phasengeschwindigkeit von evaneszenten
Wellen nahe periodischer Gitterstrukturen mit der
Elektronengeschwindigkeit übereinstimmt, kann eine
vorwärtsgerichtete elektrische Feldkomponente das Elektron
kontinuierlich beschleunigen. Dieser Effekt tritt jedoch nur im
Nahfeld passender photonischer Strukturen auf, d.h., dass der
Elektronenstrahl die Struktur in Abständen, die kleiner als die
Wellenlänge sind, passieren muss. Für die Beschleunigung
nichtrelativistischer 28keV Elektronen verwenden wir die dritte
Raumharmonische eines Quarzgitters, die mittels Lichtpulsen eines
Titan-Saphir-Oszillators angeregt wird. Wir messen einen maximalen
Energiegewinn von 280eV, was einem Beschleunigungsgradienten von
25MeV/m entspricht. Dieser Wert ist vergleichbar mit dem Gradienten
heutiger Radiofrequenz-Linearbeschleuniger. Um diese Beschleunigung
zu erfahren, passieren die Elektronen die Gitteroberfläche in einem
Abstand von weniger als 100nm. Im Rahmen dieser Arbeit beschreiben
wir die Theorie der Elektronenbeschleunigung im Nahfeld von
Gitterstrukturen und diskutieren Simulationsergebnisse zu dieser
dielektrischen Laserbeschleunigung. Unsere Messergebnisse stimmen
sehr gut mit den Simulationen überein und bestätigen deshalb die
direkte Beschleunigung im Lichtfeld. Zusätzlich diskutieren wir die
Elektronenbeschleunigung in Doppelgitterstrukturen, das Dephasieren
nichtrelativistischer Elektronen, sowie den Raumladungseffekt, der
den Spitzenstrahlstrom in diesen neuartigen, auf Mikrostrukturen
basierenden Beschleunigern begrenzt. Die hier verwendeten
photonischen Gitterstrukturen können direkt aneinandergereiht
werden und erfüllen damit die Voraussetzung für skalierbare
Linearbeschleuniger. Außerdem sind unsere Strukturen kompatibel mit
den Mikrostrukturen, an denen die dielektrische Laserbeschleunigung
relativistischer Elektronen zeitgleich durch unsere Kollegen in
Stanford demonstriert wurde. Das Potenzial dielektrischer
Laserbeschleuniger liegt in dem bis zu zwei Größenordnungen höheren
Beschleunigungsgradienten verglichen mit konventionellen
Beschleunigereinrichtungen, was sich letztendlich auf die größere
Zerstörschwelle dielektrischer Materialien bei optischen
Wellenlängen im Vergleich zu Metallen im Radio- und
Mikrowellenbereich zurückführen lässt, die eine erhöhte
Oberflächenspannungsfestigkeit zur Folge hat. Dieser erhöhte
Beschleunigungsgradient könnte den Bau von deutlich kompakteren und
kostengünstigeren Beschleunigern erlauben. Wir geben einen Ausblick
auf den möglichen Aufbau solcher zukünftiger optischen
Beschleuniger und auf deren potentiellen Anwendungen in kompakten
Freie-Elektronen-Lasern.