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Breuer, John (2013): Dielectric laser acceleration of non-relativistic electrons at a photonic structure. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

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.

Abstract

This thesis reports on the observation of dielectric laser acceleration of non-relativistic electrons via the inverse Smith-Purcell effect in the optical regime. Evanescent modes in the vicinity of a periodic grating structure can travel at the same velocity as the electrons along the grating surface. A longitudinal electric field component is used to continuously impart momentum onto the electrons. This is only possible in the near-field of a suitable photonic structure, which means that the electron beam has to pass the structure within about one wavelength. In our experiment we exploit the third spatial harmonic of a single fused silica grating excited by laser pulses derived from a Titanium:sapphire oscillator and accelerate non-relativistic 28keV electrons. We measure a maximum energy gain of 280eV, corresponding to an acceleration gradient of 25MeV/m, already comparable with state-of-the-art radio-frequency linear accelerators. To experience this acceleration gradient the electrons approach the grating closer than 100nm. We present the theory behind grating-based particle acceleration and discuss simulation results of dielectric laser acceleration in the near-field of photonic grating structures, which is excited by near-infrared laser light. Our measurements show excellent agreement with our simulation results and therefore confirm the direct acceleration with the light field. We further discuss the acceleration inside double grating structures, dephasing effects of non-relativistic electrons as well as the space charge effect, which can limit the attainable peak currents of these novel accelerator structures. The photonic structures described in this work can be readily concatenated and therefore represent a scalable realization of dielectric laser acceleration. Furthermore, our structures are directly compatible with the microstructures used for the acceleration of relativistic electrons demonstrated in parallel to this work by our collaborators in Stanford. The potential of dielectric laser accelerators lies in the larger attainable acceleration gradients resulting in a more compact design as well as a lower cost of these devices compared with conventional accelerator facilities. This size reduction by potentially a factor of 100 is owed to the two orders of magnitude larger damage threshold of dielectric materials as compared to metals. We present an outlook towards the design of an envisioned large-scale dielectric laser accelerator and its possible application in future compact free electron lasers.