飞秒激光器和有序纳米柱：高速电子控制的新途径

孟买塔塔基础研究所与堪培拉澳大利亚国立大学合作，展示了一种控制超高强度飞秒激光产生的相对论电子脉冲束的新方法。他们的研究发表在《激光与光子学评论》杂志上

高能电子束对基础科学和无数应用和技术至关重要，如成像、半导体光刻、材料科学和医学治疗。通常，这种光束来自加速器——复杂、昂贵的大型设备，具有复杂、高功率的电气和控制系统。每种都是为了在一定的能量和电流范围内运行，这很难随意修改

高强度飞秒激光脉冲一直在将电子驱动到非常高的能量，在比传统加速器长度短100-1000倍的长度尺度上达到数百万和十亿电子伏，有望在紧凑化和控制方面实现革命。这一进展在很大程度上是通过使用气态等离子体靶实现的，电子的束流通常沿着激光本身的方向

因此，当务之急是找到以更大通量获得电子的方法，比如使用固体靶，同时控制它们的方向性。对于平面固体，激光入射方向和偏振控制着电子的能量和发射方向。光束的角度分布相当宽，在更高的激光强度下会变得更宽。改变它们的方向或形成窄光束是极其困难的挑战

这正是目前的进展所在。作者使用表面由纳米柱装饰的固体，通过调整激光入射角来驱动MeV能量脉冲的电子，并将其引导到窄光束中。纳米结构增强了局部电场，提供了比平面表面更高的加速度，而入射角和间距的明智选择可以将电子脉冲引导到所需的方向。一个巨大的好处是，模拟表明电子脉冲的持续时间为阿秒

总之，有序的纳米台阶不仅可以给电子一个强大的冲击力，还可以在时间上将它们紧紧地聚在一起，并命令它们在指定的方向上行进。作者将此称为“等离子体纳米光子学”，与一系列天线（正确间隔）进行类比，这些天线发射定向、相干的电磁辐射 More information: Ankit Dulat et al, Coherent Control of Relativistic Electron Dynamics in Plasma Nanophotonics, Laser & Photonics Reviews (2024). DOI: 10.1002/lpor.202401570