基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法技术

本发明专利技术公开了一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法，电子加速器包括硅基片、表面等离激元加速结构以及激光泵浦源，其中，表面等离激元加速结构形成在硅基片上，由多个表面等离激元加速单元变周期级联而成，每个表面等离激元加速单元形成单个加速腔；激光泵浦源出射激光并作用于加速腔内壁，加速腔内壁受激形成等离激元加速电场，该等离激元加速电场作用于待加速电子束团以实现对电子加速。该电子加速器及加速方法基于激光驱动，借助表面等离激元电子加速器的变周期级联，达到对电子进行长距离的加速的效果。达到对电子进行长距离的加速的效果。达到对电子进行长距离的加速的效果。

【技术实现步骤摘要】
基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法


[0001]本专利技术属于片上电子加速
，具体一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法。

技术介绍

[0002]粒子加速器是现代科技领域中非常重要的研究工具，它能够加速带电粒子到高速度，并在它们与物质相互作用中产生有趣的物理效应。近年来，随着技术的不断进步，粒子加速器得到了快速的发展，可以实现更高时空分辨率结构的研究和应用，如高能物理实验、核能研究、医学诊断和治疗等等。然而，目前现代粒子加速器的广泛应用受到了一些限制。首先，粒子加速器的基础设施规模巨大，需要占用大面积的土地和建造巨大的设施。其次，为了让粒子加速器达到高能量和高精度的效果，需要消耗大量的能源，使得其运行成本极高。这些因素都制约了粒子加速器的应用范围和推广速度，在某些领域甚至无法满足实际需要。因此，现代科技领域急需探索更紧凑和更易于广泛使用的加速器技术，以构建物理尺寸更小、成本更低的新型加速器。这种新技术的开发对于现代科技领域的发展具有巨大的潜力和价值。利用这些新技术，可以在更小的空间内建造更强大的加速器，同时减少能源消耗和降低运行成本，使得粒子加速器走向更广泛的应用领域。
[0003]为了解决粒子加速器基础设施规模和能源消耗的限制，现代科技领域正在积极探索更加紧凑和易于广泛使用的加速器技术。这些新型加速器可以具有更小的物理尺寸和更低的成本，并且可以在更广泛的领域得到应用。目前有许多新型加速器技术被提出，例如激光等离子体加速器、强磁聚焦器、微波加速器等。其中，激光等离子体加速器因其高效、高亮度、高重复频率等特点被广泛关注。这种加速器技术利用激光脉冲产生等离子体波浪并将带电粒子加速到极高的速度。与传统的粒子加速器相比，激光等离子体加速器可以大大减少占用的空间和能源消耗，并且可以实现更高的重复频率，进一步提高加速效率。此外，强磁聚焦器技术也被广泛研究，它可以通过使用强磁场和磁透镜将带电粒子聚集在一起，从而加速带电粒子的速度。这种技术可以在相对较小的空间内实现高度精细的加速，从而使得加速器运行更加高效并且成本也更低。总之，探索更紧凑和易于广泛使用的加速器技术是现代科技领域的重要任务之一。这些新型加速器技术可以大大降低能源消耗、减小占用的空间，并且具有更高的效率和更低的成本。随着这些技术的不断发展和成熟，它们将在各个领域发挥巨大的作用，促进科学的发展和推动社会的进步。
[0004]微纳芯片加速器（Microchip Accelerator, MA）是粒子加速器的新兴研究方向之一，其具有小型化、高效率和低成本等特点，正在受到广泛的关注。然而，在MA的研究中，目前还面临着很多技术难题，其中最主要的问题之一就是实现对粒子的长距离加速。
[0005]为了解决这个问题，表面等离激元电子加速器被提出并得到了广泛的关注。这种加速器利用表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的光学近场增强效应来提高驱动激光
‑
加速电场转换效率，并且它可以实现高效的电子加速。但是目前该类型的加速器的研究仍然停留在单个加速单元，没有实现对电子进行长距离的加速。要想实现表面等离激元电子加
速器的长距离加速，需要解决许多技术难题。例如，在实际的加速器中，由于粒子束的离散性，同一束电子的动量分布很广，因此需要设计出能够适应不同电子动量分布的加速装置。此外，由于表面等离激元只能在金属表面上产生，因此需要解决将表面等离激元耦合到加速结构中的问题。这些技术难题需要通过不断地研究和实验来解决。总之，表面等离激元电子加速器作为微纳芯片加速器研究领域的一种新型加速器技术，具有很大的潜力。目前虽然该类型的加速器还无法对电子进行长距离的加速。

技术实现思路

[0006]为克服上述传统片上集成电子加速器面临的问题，本专利技术的目的是提供一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器及加速方法，基于激光驱动，借助表面等离激元电子加速器的变周期级联，达到对电子进行长距离的加速的效果。
[0007]为实现上述专利技术目的，实施例提供的一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，包括硅基片、表面等离激元加速结构以及激光泵浦源，所述表面等离激元加速结构形成在硅基片上，由多个表面等离激元加速单元变周期级联而成，每个表面等离激元加速单元形成单个加速腔；所述激光泵浦源出射激光并作用于加速腔内壁，加速腔内壁受激形成等离激元加速电场，该等离激元加速电场作用于待加速电子束团以实现对电子加速。
[0008]在一个实施例中，所述表面等离激元加速单元由硅基片对称分布的金属薄片构成，金属薄片的高度大于等离激元加速电场区域的高度，两个金属薄片在硅基片上形成加速腔。
[0009]在一个实施例中，多个表面等离激元加速单元变周期级联时，表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离进行变周期处理。
[0010]在一个实施例中，表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离沿着待加速电子束团的运动方向越来越大。
[0011]在一个实施例中，所述激光泵浦源出射激光的激光功率与等离激元加速电场的峰值场强之间的转化比为80%
‑
90%，依据转化比控制激光功率实现对等离激元加速电场的场强控制。
[0012]在一个实施例中，所述等离激元加速电场的场强与电子加速力成正比，通过控制等离激元加速电场的场强实现对待加速电子束团的加速控制。
[0013]在一个实施例中，所述表面等离激元加速结构中表面等离激元加速单元的变周期级联个数依据待加速电子束团起始能量和目标能量进行调整，其中，加速获得的总能量=表面等离激元加速单元提供的能量
×
单元数量。
[0014]在一个实施例中，所述激光泵浦源出射的激光为近红外激光。
[0015]为实现上述专利技术目的，实施例还提供了一种电子加速方法，所述方法通过上述基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器实现，包括以下步骤：依据待加速的电子束团的起始能量和目标能量，调整硅基片上表面等离激元加速单元的级联变周期和级联数量；控制激光泵浦源出射激光的激光功率进而控制等离激元加速电场的场强；电子源出射待加速的电子束团到表面等离激元加速结构的输入端，电子束团受表
面等离激元加速结构中等离激元加速电场作用实现加速。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果至少包括：在硅基片上形成由多个表面等离激元加速单元变周期级联而成的表面等离激元加速结构，该表面等离激元加速结构受激光作用能够顾产生等离激元加速电场，待加速电子束团受该等离激元加速电场作用能够实现长距离加速效果，具有相互作用距离长、结构紧凑和易集成等优点。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0018]图1是实施例提供的基于表面等离激元的片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，包括硅基片、表面等离激元加速结构以及激光泵浦源，所述表面等离激元加速结构形成在硅基片上，由多个表面等离激元加速单元变周期级联而成，每个表面等离激元加速单元形成单个加速腔；所述激光泵浦源出射激光并作用于加速腔内壁，加速腔内壁受激形成等离激元加速电场，该等离激元加速电场作用于待加速电子束团以实现对电子加速。2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，所述表面等离激元加速单元由硅基片对称分布的金属薄片构成，金属薄片的高度大于等离激元加速电场区域的高度，两个金属薄片在硅基片上形成加速腔。3.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，多个表面等离激元加速单元变周期级联时，表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离进行变周期处理。4.根据权利要求3所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，表面等离激元加速单元之间的真空漂移距离沿着待加速电子束团的运动方向越来越大。5.根据权利要求1所述的基于表面等离激元的片上级联光学电子加速器，其特征在于，所述激光泵浦源出射激光的激光功率与等离激元加速电场的峰值场强之间的转化比为80%
‑
90%，依据转化比控制激光功率实现对等离激元加速电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琳，张磊，尹坤，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：