Terahertz لہروں کے الیکٹران ایکسلریشن پر تحقیق میں پیشرفت

حال ہی میں، چائنیز اکیڈمی آف سائنسز (CAS) کے شنگھائی انسٹی ٹیوٹ آف آپٹکس اینڈ پریسیژن مشینری (SIPM) کے لی روکسین، تیان یی اور سونگ لیوئی کی ٹیم نے ٹیرا ہرٹز لہروں پر الیکٹران کی سرعت کے میدان میں اہم پیش رفت کی ہے۔ SIPM کے الٹرا انٹینس الٹرا شارٹ پلس لیزر انٹیگریٹڈ تجرباتی ڈیوائس کی نئی جنریشن کی بنیاد پر، ٹیم نے سلک ویو گائیڈ کو چلانے کے لیے انتہائی شدید الٹرا شارٹ لیزر کا استعمال کیا تاکہ ملیجول لیول ٹیرا ہرٹز سطحی لہریں پیدا کی جا سکیں، اور سطحی لہروں کو استعمال کیا۔ الیکٹران ایکسلریشن، جس نے ہائی انرجی ٹیرا ہرٹز ویو جنریشن کے مسائل کے ساتھ ساتھ فری اسپیس ٹیرا ہرٹز ویو ٹو ویو گائیڈ انرجی کپلنگ کی کم کارکردگی کو حل کیا۔ یہ مطالعہ ویو گائیڈ میں ٹیرا ہرٹز لہر کی جنریشن، ٹرانسمیشن اور کپلنگ کو یکجا کرتا ہے، اور ویو گائیڈ میں 5 ملی میٹر کے فاصلے پر سب سے زیادہ 1.1 MeV الیکٹران انرجی گین اور 210 MV/m اوسط ایکسلریشن گریڈینٹ کا احساس کرتا ہے، جو تقریباً ایک ترتیب سے زیادہ ہے۔ terahertz لہر کی سرعت کے لیے الیکٹران توانائی حاصل کرنے کے موجودہ عالمی ریکارڈ سے زیادہ اور تمام آپٹیکل انٹیگریٹڈ الیکٹران گیس پیڈل کی تحقیق کے لیے ایک بالکل نیا راستہ کھولتا ہے۔
چھوٹے اور مربوط الیکٹران گیس پیڈل فرنٹیئر سائنس اور ٹیکنالوجی میں اس کے استعمال کو فروغ دے گا۔ terahertz لہر سے چلنے والے الیکٹران ایکسلریشن کا استعمال، ایک ابھرتی ہوئی ایکسلریشن ٹیکنالوجی کے طور پر، جو پچھلی دہائی میں تیار کی گئی ہے، روایتی RF ایکسلریشن کے مقابلے میں اعلی سرعتی میلان فراہم کر سکتی ہے، اور چھوٹے، کم لاگت کے سرعتی آلات کو محسوس کرنے کے قابل اعتماد طریقوں میں سے ایک ہے، جو گیس پیڈل کے استعمال کو مزید ایپلیکیشن منظرناموں تک بڑھانے کی توقع ہے، بشمول چھوٹے پیمانے پر لیبارٹریز، ہسپتال وغیرہ۔
ٹیرا ہرٹز الیکٹران ایکسلریشن کی موجودہ ترقی فری اسپیس ٹیرا ہرٹز سورس ٹیکنالوجی پر مبنی ہے۔ ٹیراہرٹز لہریں پیدا ہوتی ہیں، جمع ہوتی ہیں، منتقل ہوتی ہیں، پولرائزیشن میں تبدیل ہوتی ہیں، اور پھر الیکٹرانوں کو تیز کرنے کے لیے استعمال ہونے والے ویو گائیڈ ڈھانچے پر مرکوز ہوتی ہیں۔ تجرباتی طور پر، ویو گائیڈ کے اندر ٹیرا ہرٹز ایکسلریشن گریڈینٹ کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے، آپٹیکل پاتھ میں بکھرنے، انعکاس اور موڈ کی تبدیلی سے ہونے والے توانائی کے نقصانات کی تلافی کے لیے کافی توانائی فراہم کرنے کے لیے ٹیرا ہرٹز ذریعہ کی ضرورت ہوتی ہے۔ عام ٹیرا ہرٹز ذرائع، جیسے کہ آپٹیکل کرسٹل پر مبنی، عام طور پر آپٹیکل عناصر کے ذریعے ٹیرا ہرٹز تابکاری کو جمع کرنے اور رہنمائی کرنے کی ضرورت ہوتی ہے اور سیگمنٹڈ ویو پلیٹس یا فیز شفٹڈ پلیٹوں کے ذریعے موڈ کنورژن کی ضرورت ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں لامحالہ توانائی کا نقصان ہوتا ہے۔ خالی جگہ میں terahertz تابکاری کے مقابلے میں، آپٹیکل سطح کی لہریں کسی میڈیم کی سطح سے جڑی ہوئی ہیں، جیسے کہ سطحی پلازمون پولرائٹنز (SPPs)، terahertz رہنمائی اور موڈ کی تبدیلی کے بارے میں سوچنے کا بالکل نیا طریقہ فراہم کرتی ہیں۔
چھوٹے لیزر ایکسلریٹڈ الیکٹران ذرائع اور تابکاری روشنی کے ذرائع کے شعبوں میں ٹیم کی طویل مدتی تلاش ٹیرا ہرٹز سطح پلازمون پولرائٹنز کے لیے مربوط ایمپلیفیکیشن میکانزم کی دریافت کا باعث بنی ہے، جو اعلیٰ طاقت کی سطح کے پلازمون پولرائٹنز کے مربوط تابکاری کے ذرائع کو حاصل کرنے کے قابل بناتا ہے۔ terahertz کی سطح کے iso-polarized excitations کی Sommerfeld wave پراپرٹی کی بنیاد پر axismetric Metallic cylindrical waveguide پر، اور کم بازی والے بنیادی ٹرانسورس میگنیٹک (TM) موڈز پر، ٹیم نے مزید اس ہائی پاور terahertz سطح کے آئسو پولرائزڈ جوش کو براہ راست جوڑ دیا۔ ویو گائیڈ کو تیز کرتا ہے، اور 85 فیصد جوڑنے کی کارکردگی حاصل کرتا ہے، جو فیمٹوسیکنڈ لیزر کے ذریعے پیدا ہونے والی ملی جول لیول ٹیرا ہرٹز انرجی کو مؤثر طریقے سے جوڑ سکتا ہے جو دھاتی بیلناکار ویو گائیڈ کو الیکٹران بیم کے ساتھ پمپ کرتا ہے، اور بالآخر الیکٹران کی 5 ملی میٹر لمبائی میں سب سے زیادہ MeV 1 حاصل کرنے کے لیے۔ حاصل اور اوسط ایکسلریشن میلان کا 210 MV/m، موجودہ بین الاقوامی ٹیرا ہرٹز لہر سے چلنے والا الیکٹران توانائی حاصل ہو گا جو تقریباً ایک ترتیب کو بڑھانے کے لیے بہترین نتائج کا حامل ہے۔
مستقبل میں، ٹیم ٹیرا ہرٹز سرفیس ویو موڈ سے چلنے والے الیکٹران ایکسلریشن کی اس نئی اسکیم کی بنیاد پر مربوط آل آپٹیکل الیکٹران ایکسلریشن ٹیکنالوجی کو مزید تیار کرے گی، اور چھوٹے پیمانے پر ریڈی ایشن سورس اور مواد کی کھوج کے شعبوں میں اپنی کراس ایپلی کیشنز کو وسعت دے گی۔ .
متعلقہ تحقیقی نتائج نیچر فوٹوونکس میں میگا الیکٹرون وولٹ الیکٹران ایکسلریشن ٹیرا ہرٹز سطحی لہروں سے چلنے والے عنوان کے تحت شائع کیے گئے تھے۔ یہ تحقیق شنگھائی انسٹی ٹیوٹ آف آپٹیکل مشینری، بیجنگ یونیورسٹی آف ایروناٹکس اینڈ ایسٹروناٹکس اور ژانگ جیانگ لیبارٹری کے تعاون سے کی گئی۔ اس تحقیق کو چین کے قومی کلیدی ریسرچ اینڈ ڈویلپمنٹ پروگرام، چائنیز اکیڈمی آف سائنسز (کلاس بی) کے اسٹریٹجک پائلٹ پروجیکٹ، شنگھائی بیسک ریسرچ اسپیشل زون پروگرام، چائنا کی نیشنل نیچرل سائنس فاؤنڈیشن، ینگ انوویٹر ایسوسی ایشن نے تعاون کیا۔ چائنیز اکیڈمی آف سائنسز، اور شنگھائی سائنس اینڈ ٹیکنالوجی انسپیریشن اسٹار سیل پروگرام۔

شکل 1. ٹیرا ہرٹز سطح کی لہر سے چلنے والے الیکٹران ایکسلریشن تجربے کا اسکیمیٹک خاکہ۔

شکل 2: تجرباتی طور پر ماپا گیا زیادہ سے زیادہ الیکٹران توانائی حاصل کرنے کے نتائج

شکل 3. تیز رفتار ویو گائیڈ (c) کے اندر برقی میدان کی طاقت کا موازنہ خالی جگہ (a) اور دھاتی بیلناکار ویو گائیڈ (b) کی terahertz-کپلڈ حالت میں