基于表面增强光场的超快电子脉冲产生

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超快电子脉冲在研究超快动力学、探测材料的内部结构并揭示其表面组成等方面有着巨大优势。电子条纹技术固有的大束流穿越路径以及空间电荷效应限制了电子脉冲可达到的最大时间分辨率。传统的射频电子加速技术由于加速器长度和将电子加速到高能所需的总存储能量通常体型很大且价格昂贵。然而,许多应用要求用于产生超快电子脉冲的设备减小尺寸和降低成本。表面等离极化激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)和布洛赫表面波(Bloch Surface Waves,BSWs)均具有局域增强特性,可以有效地在短距离内产生加速电子产生超快电子脉冲。基于此,本文创新地提出了两种超快电子脉冲产生方案。其一是基于BSWs的超快电子脉冲产生,其二是基于双脉冲驱动SPPs的超快电子脉冲产生。两种超快电子脉冲产生方案的基本研究方法均采用简单的两步模型。即,首先利用二维的有限时域差分数值求解表面电磁场,然后使用插值技术和追迹算法计算电子在其中的运动过程。关于第一个模型,首先介绍了模型的结构、一维有限光子晶体的设计和如何确定飞秒激光脉冲的相关参数以激发BSWs。其次,结合BSWs的基础理论和仿真结果详细分析了其电磁场特性。然后,详细介绍了基于该模型的算法设计。此外,研究了电子的运动过程、相关参数对电子运动的影响和出射电子的动能分布和角分布。最后结果表明:综合调节相关参数,该模型可以有效地产生超快电子脉冲。关于第二个模型,首先介绍了模型的结构、利用SPPs的电磁场理论计算得出其相关参数和确定飞秒激光脉冲的相关参数。其次,分析仿真结果得出SPPs的相关参数并与理论计算结果对比。然后,研究了SPPs对电子的加速作用。最后,得出了该模型也可以有效地产生超快电子脉冲的结论。此外,本文对两种模型作了对比分析,得出第一个模型更具有发展前景的结论。总之,本文创新地提出了两种超快电子脉冲产生方案并对它们作了详细阐述和系统研究。这将有推动超快动力学领域的研究。此外,这也有助于电子加速装置的低成本和小型化发展。因此,相关领域的应用也值得期待。
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