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基于超颖表面的多谐波自由电子光源

2018-11-08

超颖表面很有可能会成为诸如X射线和伽马射线等高能光子的新的可调谐光源。来自美国麻省理工学院的Gilles Rosolen及其同事,以及来自比利时和新加坡的研究人员,一起使用模拟仿真技术来探索超颖表面成为可调谐光源的可能性。作者在文章中介绍了脉冲激光如何激发靠近超颖表面运动的自由电子,使其产生比入射激光能量更高的光子。通过控制超颖表面的几何形状,自由电子的能量和入射激光的角度,可以控制辐射光的频谱分布。


超颖表面的几何形状和材料在亚波长空间尺度上变化,它的结构尺寸与光的波长相比可以忽略不计,并且在远场应用中(例如控制电磁波的波前)具有明显的优势。为了促进脉冲激光激发自由电子产生高频光子,作者研究了超颖表面近场受激后的电位势能分布。尤其是,超颖表面近场包含着高阶空间谐波,它可以产生多个高次谐波X射线频率峰。实验结果表明,通过控制超颖表面的几何形状,自由电子的能量和入射激光的角度,可以任意地改变X射线的频谱分布。通过从头计算模拟法,作者预测了明亮的单能X射线的存在,在一段85nm长的超颖表面上,通过3.4-eV等离子体激元的激发,从5-MeV的电子上获得了30keV的辐射能(谐波间隔3keV)。对于它的应用,作者提出了四色X射线源的设计构想,它可以作为多色硬X射线光谱学的一个备选方案。这些研究成果为实现简化的高能光子多谐波源奠定基础,它们在工业,医学和基础科学中都有许多潜在的应用。


图1 超颖表面的自由电子光源受激辐射的高次谐波X射线

图2 通过控制激光强度峰值和电子的速度来增强X射线强度

图3 通过超颖表面的几何形状和入射激光的波长来控制辐射的多谐波射线

(来源:光粒网




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