编辑丨风云
介电激光加速器（DLA）或纳米光子加速器背后的核心思想是利用纳米光子介电结构在激光的帮助下加速带电粒子，特别是电子。与使用射频波和金属腔的经典粒子加速器不同，DLA 利用光学近场，在带电粒子传播时与它们同步。通过设计和制造光学近场与粒子相互作用的纳米光子结构，DLA 可以实现更高的加速梯度，比射频加速器大两个数量级。这可以显着减小加速器设备的尺寸和成本。使用高损伤阈值介电材料和片上集成可以开发紧凑且可扩展的纳米光子加速器，在医学、工业、材料研究和科学等各个领域具有革命性的应用。
关键问题
虽然过去纳米光子加速器取得了重大进展，但在可扩展性、制造复杂性、材料选择和优化驱动波长方面仍有挑战需要克服：
1.可扩展性：纳米光子加速器的可扩展性是一个悬而未决的问题。虽然对于较长的结构，桶中捕获的电子数量大致保持不变，但三维引导和约束需要进一步探索和设计。
2.制造复杂性：加速器结构的制造过程可能很复杂，需要精确控制支柱的几何形状和尺寸。微调和优化对于实现所需的加速性能是必要的。
3.材料限制：加速器结构的材料选择至关重要。需要高损伤阈值材料来承受强烈的激光场。探索具有更高损伤阈值和合适光学特性的新材料是一项挑战。
4.波长限制：加速器中使用的激光器的驱动波长会影响加速度梯度和可实现的最大加速度电流。更长的波长允许更宽的加速通道宽度和更高的电流电子束。但是，在可用的激光源及其与加速器设计的兼容性方面可能存在限制。
新思路
近日，德国埃尔朗根-纽伦堡大学，以色列耶路撒冷希伯来大学和德国马克斯·普朗克光科学研究所的研究人员展示了一种可扩展的纳米光子电子加速器，它相干地结合了粒子加速和横向束约束，并在仅 225 nm 宽的通道中加速和引导电子超过 500 μm 的相当大的距离。我们观察到最大相干能量增益为 12.3 keV，相当于从最初的 28.4 keV 增加到 40.7 keV，能量增加了 43%。我们预计这项工作将直接导致纳米光子加速器的出现，利用高损伤阈值介电材料以最小的尺寸要求提供高达GeV m−1范围的高加速梯度。这些片上粒子加速器将实现医学、工业、材料研究和科学领域的变革性应用。
技术路线：
本研究使用波长为1,030 nm、脉冲持续时间为250 fs、重复频率为167 kHz的钇光纤激光作为驱动激光。激光脉冲的能量为600 μJ。使用光参量放大器产生波长为1.93 μm、脉冲能量高达60 μJ的红外激光脉冲。通过四次谐波产生257 nm的紫外脉冲，用于触发电子源的光电发射。红外脉冲的脉冲前倾角度被调整以与运动中的电子实现光学重叠。激光的偏振方向沿电子传播方向线性。电子源是经过改装的商用扫描电子显微镜(SEM)，电子脉冲通过Schottky尖端阴极的光电发射产生。电子在SEM柱中加速到28.4 keV的束流能量。电子脉冲被聚焦到SEM的样品室中安装的加速器结构中。电子脉冲与红外激光脉冲的时间重叠由电动延迟台控制。使用自制的磁谱仪测量电子能谱。通过常规SEM成像进行加速器结构的初始对准。激光对准通过成像芯片表面的反射来确定。
技术优势：
1.相干纳米光子电子加速：本文提出了一种利用光子纳米结构内的激光加速电子的新方法。这为传统粒子加速器提供了一种微观替代方案，具有潜在的成本和尺寸降低。
2.加速度和束约束的结合：文章中展示的纳米光子电子加速器不仅可以加速电子，还可以在保持束约束的同时引导它们经过相当长的距离。这种加速度和光束约束的组合是通过专门设计的锥形结构几何形状实现的。
3.高能量增益：文章报告的最大相干能量增益为12.3 keV，相当于能量大幅增加43%。这证明了使用纳米光子加速器实现高加速度梯度的潜力。
4.可扩展性和最小尺寸要求：纳米光子电子加速器是可扩展的，可以使用高损伤阈值介电材料制造。这为开发GeV m-1范围内具有高加速度梯度的纳米光子加速器开辟了可能性，同时最大限度地减少了尺寸要求。
研究内容
实现对电子束的精确控制和加速
纳米光子结构中同时加速和束流约束的原理是通过利用光场与电子束之间的相互作用来实现的。这种结构由一系列纳米尺度的柱子组成，这些柱子可以产生强烈的光场。当激光脉冲照射到这些柱子上时，光场与电子束相互作用，产生一个同步力，使电子束被加速并沿着纳米结构的通道进行束流约束。
具体来说，当激光脉冲照射到纳米结构的柱子上时，柱子产生的光场与电子束中的电荷相互作用。这种相互作用会导致电子束受到一个同步力，该力的方向和大小取决于电子束的位置和速度。通过调整激光脉冲的参数和纳米结构的设计，可以实现电子束在纳米结构中的加速和束流约束。
通过这种纳米光子结构中的加速和束流约束，可以实现对电子束的精确控制和加速，为微型加速器和高能物理研究提供了新的可能性。
图1 纳米光子结构中同时加速和束流约束的原理
相干电子加速成功
相干电子加速是指通过光场与周期性纳米结构相互作用，实现对电子束的加速。在这种加速过程中，电子束的能谱会发生变化。
通过实验观察到的电子能谱，可以看到在设计的加速梯度位置处出现了一个明显的能量峰值。这个能量峰值对应着设计加速梯度的位置，即每个周期内电子束获得的能量增加量。这表明相干电子加速是成功的，电子束在纳米结构中获得了加速。此外，作者还观察到能量峰值之外的电子。这些电子只部分被加速，它们被捕获到加速桶中，但在某个点失去了同步性，因此失去了加速。这可能是由于电子接近分离曲线或技术原因导致的，例如激光脉冲前倾不完全匹配电子速度的增加。
总的来说，通过观察电子能谱，可以确定相干电子加速是成功的，并且电子束在纳米结构中获得了加速。然而，由于一些限制因素，目前的加速梯度相对较低，但已经与射频加速器的梯度相当。
图2 显示相干电子加速的电子能谱
新型纳米光子加速器
作者展示了一个纳米结构，其中包含了多个加速器宏单元，通过引入相位跳变和特殊设计的锥形结构，实现了纳米光子的相位聚焦和束流整形。图中还展示了电子在加速器结构中的轨迹和能量变化。这个纳米光子加速器结构的设计原则可以为紧凑型光源、紧凑型自由电子激光器和高能量对撞机等应用提供新的可能性。
图3 纳米光子加速器结构
总结展望
总的来说，德国埃尔朗根-纽伦堡大学，以色列耶路撒冷希伯来大学和德国马克斯·普朗克光科学研究所的研究人员制造了几个具有不同长度（从200 μm到500 μm）但设计相同的结构。他们观察到电子的相干加速以及交替相位聚焦。不同结构的平均能量增益分别为4.59 ± 0.29 keV、6.57 ± 0.32 keV、9.05 ± 0.24 keV和10.8 ± 0.29 keV。这些结果与模拟结果非常吻合。最佳结构的长度为500 μm，电子的起始能量增加了43%，从28.4 keV增加到40.7 keV。随着结构长度的增加，加速的电子数量保持相对稳定。研究人员还观察到零损耗峰和零损耗峰周围的能量调制，表明电子的加速和减速。一些电子只部分加速并与结构失去同步。
参考文献：
Tomáš Chlouba*, Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner, Julian Litzel1 & Peter Hommelhoff*, Coherent nanophotonic electron accelerator, Nature. (2023).
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7
