[发明专利]介质激光加速器、垂直腔面激光器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种介质激光加速器及垂直腔面激光器，定义一XYZ空间直角坐标系，介质激光加速器包括:垂直腔面激光器，所述垂直腔面激光器包括有源层以及设于所述有源层Z轴方向前方的加速区，所述有源层的主延伸平面平行于XY轴定义的平面，所述加速区具有与X轴方向平行的加速通道；反射镜，设于所述垂直腔面激光器发射激光的光路上，用于将所述垂直腔面激光器发射的激光以特定角度反射；饱和吸收镜，其对所述反射镜反射的不同光强的激光具有对应的吸收率，能够压缩激光的脉冲宽度并将压缩后的激光经所述反射镜反射回所述垂直腔面激光器。本发明能够在加速区获得更高的加速电场，提高介质激光加速器的加速梯度。

技术领域

本发明涉及激光加速器，具体而言，涉及一种介质激光加速器、垂直腔面激光器及其制备方法。

背景技术

粒子加速器是人类探索微观世界的重要工具之一，目前世界各国共建造了200多台大型加速器装置，它们在生命科学、化学材料、高能物理、国防科技、医疗卫生等诸多领域都取得了令人振奋的成果。加速器装置普遍存在生产周期长，造价高昂的问题。以其他产生硬X射线的加速器装置为例，通常总预算均超过10亿美元，装置大小以公里为计量单位。庞大的尺寸、高昂的建造成本而限制了加速器面向更广泛的基础科学与工业应用。因此无论是在科研还是在民用加速器领域，加速器小型化、低成本化都是其发展的重要方向。

目前世界公认最有前景的两种加速器小型化技术方向是：介质激光加速器以及等离子体加速器。这两种加速器技术都能GeV/m甚至更高的加速梯度。同传统的射频加速器相比激光介质加速器具有两大不同，一是功率源的不同。射频加速器通常采用速调管、发射机作为加速器功率源，而激光介质加速器采用高功率短脉冲激光直接照射光栅（或光子晶体等）。二是加速结构所用材料不同。射频加速器通常采用无氧铜或其他金属材料，而介质加速器通常采用光学介质材料。由于采用激光器作为加速器的功率源，激光器相比速调管体积较小，成本较低，而介质材料相比于金属材料具有更高的击穿阈值，因此能够产生更高的加速梯度。

2020年Science报道了斯坦福大学激光介质加速器最新的研究成果，虽然其加速梯度只有30MeV/m，但首次实现了介质激光加速器的级联和芯片化，加速长度超过30um，意味着介质激光加速器的可以通过级联的方式获得高能电子束，是介质激光加速器研究的重要里程碑。此外，微型电子加速器还是一种新型的医疗设备可以实现体内病灶的精准放射治疗。

由上可见，基于强激光与带电粒子相互作用的激光介质加速器比基于传统加速器的方案具有很多独特优势，是加速器技术发展的重要技术方向之一。内源激光介质加速器与目前主流的介质激光加速器相比具有两大特点：1其结构简易，避免了复杂的外部光学系统；2光场由外部激励电流进行控制，能够实现电子束与光场相位的匹配控制，可以进行级联扩展。

据相关文献报道边缘发射的半导体激光器能实现近200mW的短脉冲激光激射，但由于其腔长较长，噪声水平较高，如要实现更高功率的短脉冲激光则需要外部半导体放大器或者谐振腔。因此，对于边缘发射的介质激光加速器而言，虽然其加速区采用介质材料具有极高的击穿阈值，但受限于半导体激光器本身的激光功率，采用边缘发射的介质激光加速结构其加速区的电场强度较小，难以获得更高的加速梯度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种介质激光加速器、垂直腔面激光器及其制备方法，能够有效提高介质激光加速器的加速梯度。

一种介质激光加速器，定义一XYZ空间直角坐标系，其包括:垂直腔面激光器，其包括有源层以及设于所述有源层Z轴方向前方的加速区，所述有源层的主延伸平面平行于XY轴定义的平面，所述加速区形成有一条沿X轴方向延伸的加速通道；反射镜，设于所述垂直腔面激光器发射激光的光路上，用于将所述垂直腔面激光器发射的激光以特定角度反射；饱和吸收镜，其对所述反射镜反射的不同光强的激光具有对应的吸收率，能够压缩激光的脉冲宽度并将压缩后的激光经所述反射镜反射回所述垂直腔面激光器。

作为一种实施方式，所述垂直腔面激光器与所述反射镜之间设有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的偏振片。