Demonstration of sub-luminal propagation of single-cycle terahertz pulses for particle acceleration.
Demonstration of sub-luminal propagation of single-cycle terahertz pulses for particle acceleration.
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DOI：
10.1038/s41467-017-00490-y
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发表时间：
2017-09-04
影响因子：
16.6
通讯作者：
Jamison SP
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Walsh DA;Lake DS;Snedden EW;Cliffe MJ;Graham DM;Jamison SP
电磁波在自由空间中的亚光速相速度通常是不可获得的，与禁止的超光速相速度密切相关。激光驱动粒子加速方案对亚光速相速度的要求限制了在自由空间中可实现的总加速度，并且需要使用色散结构或波导来扩展场-粒子相互作用。我们演示了一种旅行源方法，克服了亚光速传播限制。该方法利用具有慢群速度传播的超快光源，并通过非线性光相互作用实现群-相前转换。该概念通过两种太赫兹产生过程，非线性光整流和电流浪涌整流进行了验证。我们报告了纵向极化单周期电场的测量，相和群速度在0.77和1.75c之间。演示了扩展到每米数兆伏场强的能力。我们的方法为实现具有飞秒级粒子控制的廉价和紧凑的粒子加速器铺平了道路。以亚光速相速度控制太赫兹辐射的产生是激光驱动粒子加速的关键问题。在这里，作者展示了一种利用群-相前转换来克服亚光速传播限制的行源方法。
The sub-luminal phase velocity of electromagnetic waves in free space is generally unobtainable, being closely linked to forbidden faster than light group velocities. The requirement of sub-luminal phase-velocity in laser-driven particle acceleration schemes imposes a limit on the total acceleration achievable in free space, and necessitates the use of dispersive structures or waveguides for extending the field-particle interaction. We demonstrate a travelling source approach that overcomes the sub-luminal propagation limits. The approach exploits ultrafast optical sources with slow group velocity propagation, and a group-to-phase front conversion through nonlinear optical interaction. The concept is demonstrated with two terahertz generation processes, nonlinear optical rectification and current-surge rectification. We report measurements of longitudinally polarised single-cycle electric fields with phase and group velocity between 0.77c and 1.75c. The ability to scale to multi-megavolt-per-metre field strengths is demonstrated. Our approach paves the way towards the realisation of cheap and compact particle accelerators with femtosecond scale control of particles. Controlled generation of terahertz radiation with subluminal phase velocities is a key issue in laser-driven particle acceleration. Here, the authors demonstrate a travelling-source approach utilizing the group-to-phase front conversion to overcome the sub-luminal propagation limit.
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