[發明專利]半導體激光加速器及其激光加速單元

有效

• 申請號: 201910015263.2
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109600904B
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 林宏翔;劉佟;崔晗;蔡昭權;魏曉慧
• 申請（專利權）人: 惠州學院
• 主分類號: H05H15/00
• 分類號: H05H15/00
• 代理公司: 惠州創聯專利代理事務所(普通合伙) 44382
• 代理人: 韓淑英

本發明涉及一種半導體激光加速器，包括以級聯方式聯接起來的多個激光加速單元和用于對供給各激光加速單元的激勵電流進行控制的控制器。每個激光加速單元都形成有一條沿X軸方向延伸的加速通道。所述激光加速單元包括位于Z軸方向前方和后方的電極、位于電極之間的主延伸平面平行于XY軸定義的平面的有源層、第一波導層、第二波導層、以及反射層。加速通道形成在第一波導層中，且其至少一側形成有光柵，作為加速區。本發明的半導體激光加速器具有更高的加速梯度，故結構更小巧，不需要復雜的外部光學系統，此外光場由外部激勵電流進行控制，能夠實現電子束與光場相位的匹配控制，可通過級聯擴展，解決滑相問題。

技術領域

本發明涉及加速器及其激光加速單元，特別涉及一種半導體激光加速器及其激光加速單元。

背景技術

隨著近代科學技術的發展，人類對物質構成的認識越來越深入，探索不同層次的物質世界需要不同的探測工具，粒子加速器就是人類探索微觀世界的重要工具之一。至19世紀世界第一臺粒子加速器問世以來，目前世界各國共建造了200多臺大型加速器裝置，它們在生命科學、化學材料、高能物理、國防科技、醫療衛生等諸多領域都取得了令人振奮的成果。例如2012年美國《科學》雜志評選出的年度十大進展之首是利用大型強子對撞機(LHC)觀測希格斯粒子的重要成果。LHC雖然性能卓越但也造價不菲，其項目總經費超過70億美元，是世界上周長最長、造價最高的粒子加速器。這也是加速器裝置的普遍存在的問題，以其他產生硬X射線的加速器裝置為例，通常總預算均超過10億美元，裝置大小以公里為計量單位。龐大的尺寸、高昂的建造成本限制了加速器面向更廣泛的基礎科學與工業應用。因此無論是在科研還是在民用加速器領域，加速器小型化、低成本化都是其發展的重要方向。

目前世界公認最有前景的兩種加速器小型化技術方向是：介質激光加速器以及等離子體加速器。這兩種加速器技術都能實現GeV/m甚至更高的加速梯度。同傳統的射頻加速器相比介質激光加速器具有兩大不同，一是功率源的不同。射頻加速器通常采用速調管、發射機作為加速器功率源，而介質激光加速器采用高功率短脈沖激光直接照射光柵（或光子晶體等）。二是加速結構所用材料不同。射頻加速器通常采用無氧銅或其他金屬材料，而介質加速器通常采用光學介質材料。由于采用激光器作為加速器的功率源，激光器相比速調管體積較小，成本較低，而介質材料相比于金屬材料具有更高的擊穿閾值，因此能夠產生更高的加速梯度。2013年Nature報道了斯坦福大學介質激光加速器最新的研究成果，通過兩束激光照射在光柵介質表面，在光柵內部形成高梯度的加速電場，其加速梯度達到250MeV/m，遠遠高于當前常規加速器30MeV/m的加速梯度。文中也指出了介質激光加速器在非相對論電子的加速區所面臨的電子加速相位與電場相位不同的滑相問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結構簡易、可解決滑相問題的半導體激光加速器及其加速單元。

一種半導體激光加速器，包括以級聯方式聯接起來的多個激光加速單元和用于對供給各激光加速單元的激勵電流進行控制的控制器。定義一XYZ空間直角坐標系，則每個激光加速單元都形成有一條沿X軸方向延伸的加速通道，且所述激光加速單元包括：位于Z軸方向前方和后方的電極；位于電極之間的具有有源區的有源層，所述有源區用于在電極通電時產生激光，所述有源層的主延伸平面平行于XY軸定義的平面；位于有源層的Z軸方向前方的第一波導層；位于有源層的Z軸方向后方的第二波導層；以及位于有源層、第一波導層和第二波導層的Y軸方向前方和后方的反射層。其中，所述加速通道形成在第一波導層中，所述加速通道的至少一側形成有光柵，作為加速區。所述控制器通過調節激勵電流的觸發時間實現加速區內電磁場的相位的控制調節。

作為一種實施方式，所述加速通道的兩側均形成有光柵，所述加速區的Y軸方向的前方和后方還形成有用于將偏振方向平行于X軸方向的激光篩選出來的布儒斯特窗。

作為一種實施方式，所述布儒斯特窗是通過在半導體材料上進行刻蝕形成的，定義布儒斯特角為θ，則所述布儒斯特窗相對Y軸的傾斜角度為θ或π-θ，且布儒斯特角θ與真空折射率n2和半導體材料折射率n1的關系為。