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CN109600904B - 半导体激光加速器及其激光加速单元 - Google Patents

半导体激光加速器及其激光加速单元 Download PDF

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CN109600904B CN201910015263.2A CN201910015263A CN109600904B CN 109600904 B CN109600904 B CN 109600904B CN 201910015263 A CN201910015263 A CN 201910015263A CN 109600904 B CN109600904 B CN 109600904B
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Abstract

本发明涉及一种半导体激光加速器，包括以级联方式联接起来的多个激光加速单元和用于对供给各激光加速单元的激励电流进行控制的控制器。每个激光加速单元都形成有一条沿X轴方向延伸的加速通道。所述激光加速单元包括位于Z轴方向前方和后方的电极、位于电极之间的主延伸平面平行于XY轴定义的平面的有源层、第一波导层、第二波导层、以及反射层。加速通道形成在第一波导层中，且其至少一侧形成有光栅，作为加速区。本发明的半导体激光加速器具有更高的加速梯度，故结构更小巧，不需要复杂的外部光学系统，此外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，可通过级联扩展，解决滑相问题。

Description

半导体激光加速器及其激光加速单元
技术领域
本发明涉及加速器及其激光加速单元，特别涉及一种半导体激光加速器及其激光加速单元。
背景技术
随着近代科学技术的发展，人类对物质构成的认识越来越深入，探索不同层次的物质世界需要不同的探测工具，粒子加速器就是人类探索微观世界的重要工具之一。至19世纪世界第一台粒子加速器问世以来，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。例如2012年美国《科学》杂志评选出的年度十大进展之首是利用大型强子对撞机(LHC)观测希格斯粒子的重要成果。LHC虽然性能卓越但也造价不菲，其项目总经费超过70亿美元，是世界上周长最长、造价最高的粒子加速器。这也是加速器装置的普遍存在的问题，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实现GeV/m甚至更高的加速梯度。同传统的射频加速器相比介质激光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，而介质激光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。2013年Nature报道了斯坦福大学介质激光加速器最新的研究成果，通过两束激光照射在光栅介质表面，在光栅内部形成高梯度的加速电场，其加速梯度达到250MeV/m，远远高于当前常规加速器30MeV/m的加速梯度。文中也指出了介质激光加速器在非相对论电子的加速区所面临的电子加速相位与电场相位不同的滑相问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简易、可解决滑相问题的半导体激光加速器及其加速单元。
一种半导体激光加速器，包括以级联方式联接起来的多个激光加速单元和用于对供给各激光加速单元的激励电流进行控制的控制器。定义一XYZ空间直角坐标系，则每个激光加速单元都形成有一条沿X轴方向延伸的加速通道，且所述激光加速单元包括：位于Z轴方向前方和后方的电极；位于电极之间的具有有源区的有源层，所述有源区用于在电极通电时产生激光，所述有源层的主延伸平面平行于XY轴定义的平面；位于有源层的Z轴方向前方的第一波导层；位于有源层的Z轴方向后方的第二波导层；以及位于有源层、第一波导层和第二波导层的Y轴方向前方和后方的反射层。其中，所述加速通道形成在第一波导层中，所述加速通道的至少一侧形成有光栅，作为加速区。所述控制器通过调节激励电流的触发时间实现加速区内电磁场的相位的控制调节。
作为一种实施方式，所述加速通道的两侧均形成有光栅，所述加速区的Y轴方向的前方和后方还形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗。
作为一种实施方式，所述布儒斯特窗是通过在半导体材料上进行刻蚀形成的，定义布儒斯特角为θ，则所述布儒斯特窗相对Y轴的倾斜角度为θ或π-θ，且布儒斯特角θ与真空折射率n2和半导体材料折射率n1的关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
优选的，定义所述加速通道在Y轴方向的宽分别为C，布儒斯特窗中的真空在Y轴方向的等效宽度为D’，激光谐振腔内介质在Y轴方向的等效宽度为L’，激光波长为λ，则
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，m为正整数。
作为一种实施方式，所述有源区和形成所述布儒斯特窗的半导体材料包括InGaAsP半导体材料。
本发明还提供了一种应用于上述半导体激光加速器的半导体激光加速单元，定义一XYZ空间直角坐标系，则所述半导体激光加速单元为上述的激光加速单元。
本发明的半导体激光加速器与传统的常温加速结构、超导加速结构相比具有更高的加速梯度，故结构更小巧。其与现有的介质加速结构相比具有以下有效效果：1、结构简易，将加速场建立在半导体激光器内部，而非外部激光器照射光栅形成加速场，也即将加速区域与激光谐振区相结合，不需要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，可通过级联扩展，解决滑相问题；3、设置特定角度的布儒斯特窗，保证光场的线偏特性。
附图说明
图1为本发明一实施例的半导体激光加速器的结构示意图。
图2为一实施例的半导体激光加速单元的一部分的俯视剖断图。
图3为图2中B部的放大图。
图4为一实施例的半导体激光加速单元的正面剖断图。
图5为一实施例的半导体激光加速单元的一部分的立体示意图。
图6为图3的半导体激光加速单元的加速场电磁场仿真图。
图7为一实施例的半导体激光加速单元的电磁场仿真软件的电子束跟踪结果图。
图8为探针位置的电场傅里叶变换图。
图9为10 keV非相对论电子由于滑相，在本发明使用长光栅结构时呈现减速效果图（仿真软件CST）。
图10为布儒斯特窗中偏振光光路示意图。
图11为非相对论电子滑相情况下加速梯度与光栅长度的关系图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本发明半导体激光加速器及其激光加速单元作进一步详细描述。
请参考图1，本发明的半导体激光加速器800用于加速从一辐射源700发出的电子，可包括多个激光加速单元100（为方便对照，图1中仅示出了两个）以及与多个激光加速单元100电性连接的控制器200。每个激光加速单元100具有一条沿第一方向A延伸的加速通道10（图1中虚线所示），该多个激光加速单元100以级联方式联接起来，使得多个激光加速单元100的加速通道10首尾相对，相邻的加速单元之间存在作为漂移段的真空间隙，漂移段的长度应为单个加速单元的加速通道的数十倍或更多倍，图1为方便观察，省略了间隙的长度。从辐射源700发出的电子依次经该多个激光加速单元100进行加速。控制器200分别与该多个激光加速单元100内的电极电性连接，可独立控制各加速单元的激励电流时序、幅值，特别是通过调节激励电流的触发时间实现加速区内电磁场的相位的控制调节。可以理解的，半导体激光加速器800可包括一外壳，控制器可位于外壳内也可位于外壳外部，其余部件位于外壳内部且外壳内部优选呈真空状态。
以上加速结构能够满足相对论电子的加速要求，也能够满足非相对论电子的加速要求。对非相对论电子来说，由于其速度较低，在加速的过程中单个时间周期内电子位移是逐渐增加的，本发明使用较短光栅进行加速，对不同激光加速单元100提供不同的激励电流，以保证每段加速节都有较高的加速梯度（图11中阴影部分的加速梯度较高），有效避开滑相区的减速效果（参考图9），更加有效利用加速场对电子进行加速。
下面详细介绍单个激光加速单元的详细结构，为了描述方便，定义一XYZ空间直角坐标系，且上述第一方向A平行于X轴方向，则电子由加速通道10的X轴方向后方进入通道，被加速后由加速通道的X轴方向前方射出。
一较佳实施例中，如图2至图5所示，激光加速单元100至少包括分别设于Z轴方向前方和后方的电极20和位于电极20之间的具有有源区的有源层30、位于有源层30的Z轴方向前方的第一波导层40、位于有源层30的Z轴方向后方的第二波导层50，还包括位于有源层30、第一波导层40和第二波导层50的Y轴方向前方和后方的反射层60。为了方便区分激光加速单元100的各个部分，图5示出了激光加速单元100的有源层30、第一波导层40和第二波导层50的立体图，省略了电极20、反射层60以及位于第一波导层40内的布儒斯特窗44；图4中仅示出了沿图5中平行于YZ轴定义的平面剖开激光加速单元100的剖面图，为避免剖面线太多影响观察，仅示出了有源层30、反射层60和布儒斯特窗44的剖面线，省略了电极20、第一波导层40和第二波导层50的剖面线，且将布儒斯特窗44本应位于第一波导层40内部的部分用阴影示出；图2中示出了沿图5中平行于XY轴定义的平面的平面剖开激光加速单元100的第一波导层40的剖面图。
其中，有源层30的主延伸平面平行于XY轴定义的平面，本实施例中，有源层30整体均由用于在电极通电时产生激光的半导体材料，例如但不限于InGaAsP（铟镓砷磷）半导体材料构成，其他实施例中，可发射激光的半导体材料仅位于有源层30的中部位置，位于周边的部分可为波导材料。第一波导层40和第二波导层50的主延伸平面也平行于XY轴定义的平面，且本实施例中，有源层30、第一波导层40和第二波导层50堆叠为一六面分别平行于XY轴、YZ轴和XZ轴定义的平面的长方体结构。反射层60贴附在该长方体结构的位于Y轴方向的两个面上，从而有源区产生的辐射激光以一定的耦合率耦合至第一和第二波导层中，经反射层反射后返回，构成光学谐振腔。电极20可分别具有一个或多个金属层，金属层可包括例如但不限于Ag、Au、Sn、Ti、Pt、Pd、Rh和Ni中的一种或多种或几种制成的合金。反射层60可包括高反射率膜或为高反射率涂层，例如但不限于具有布拉格反射镜层序列或反射性的金属层。
可以理解的，波导层与电极之间还可包括其他功能层，例如但不限于钝化层、绝缘层、生长衬底等。
本发明中，上述加速通道10形成在第一波导层40中，将第一波导层切断，分为分别位于Y轴方向前方和后方的两部分，且加速通道10两侧的第一波导层40形成有狭缝沿Z轴方向延伸的光栅42，作为加速区。从Z轴方向前方观察，有源层30的有源区暴露在加速通道10的底部。可通过光刻和湿法腐蚀的方法，在第一波导层40形成光栅42。为满足电子加速相位的要求，光栅常数为激光波长，即满足下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，其中A、B分别为光栅一个周期中的两个部分的尺寸，如图3所示，A为光栅突起部分在X轴方向的宽度，B为光栅狭缝在X轴方向的宽度，λ为激光波长。且光栅42的间距，也即加速通道10的宽度C，以及光栅高度H可进行进一步优化，以进一步提高加速梯度。
本发明还在加速区的Y轴方向的前方和后方形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗44。本实施例中，布儒斯特窗44是通过在半导体材料上进行刻蚀形成的。具体实施中，可在有源区的半导体材料上继续生长形成位于第一波导层40内的相对Y轴倾斜的两块半导体材料区，且分设于加速区两侧，然后通过刻蚀形成布儒斯特窗44。
定义布儒斯特角为θ，则布儒斯特窗44相对Y轴的倾斜角度为θ（图2中位于Y轴方向前方的布儒斯特窗44与Y轴的夹角）或π-θ（图2中位于Y轴方向后方的布儒斯特窗44与Y轴的夹角），且布儒斯特角θ与真空折射率n2和半导体材料折射率n1的关系为
Figure 968884DEST_PATH_IMAGE002
。定义布儒斯特窗44在Y轴方向的等效宽度为D，布儒斯特窗44中的真空在Y轴方向的等效宽度为D’，布儒斯特窗44中的介质在Y轴方向的等效宽度为d，激光谐振腔内介质在Y轴方向的等效宽度为L’，则L’=2*L1’+2*L2’+2*d，D=D’+d，激光波长为λ，则
Figure 841025DEST_PATH_IMAGE004
，m为正整数。
以半导体材料采用InGaAsP为例，其折射率n1=3.5，真空折射率n2=1，可以计算布儒斯特角θ，即满足下式
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，则15.94°和164.16°为刻蚀所需的倾斜角度。
如此配置，有源区产生各个方向的激光，非平行于Y轴的激光不能被增益放大，平行于Y轴的激光通过布儒斯特窗后形成线偏激光，根据受激辐射的机制，由于经过布儒斯特窗后的是线偏激光，激光再次通过有源区增益介质时，产生的激光也为线偏激光。从而激光在所构成的具有布儒斯特窗44的谐振腔中往返，具有与电子束方向相同的偏振方向的激光被筛选出来。如图10所示，激光在所构成的谐振腔中往返，每次由真空进入布儒斯特窗44的介质时，满足布儒斯特角条件，故s方向的偏振光被反射，反射光偏离中轴光路不能被增益，逐渐衰减。单次折射光中仍然含有s偏振方向的偏振，但折射光在单次往返过程中多次通过布儒斯特窗后其包含的s方向的偏振分量迅速减小，最后达到很好的p方向偏振光。因此在半导体有源区中的高能态电子受到线偏激光的照射，其增益后的激光也具有相同的偏振方向。尽管激光中仍然包含小部分s偏振,但其数量与p方向具有很大数量级差异，不会对电子加速造成影响，可实现加速场与电子运动方向相同，即加速激光为线偏激光。
在一具体的实例中，选取半导体材料为InGaAsP，通过光刻和湿法腐蚀的方法形成光栅，则其相应激光波长λ为1550nm，设定A/B=1，C=0.35λ，H=0.9λ作为迭代仿真的初始条件，则加速区光场分布如图6所示，使用电磁场分析软件可得到电子加速的结果。通过参数扫描的方式，修改A、B、C、H四个光栅尺寸参数可得到最优的加速效果。图6中XY平面上的电场峰值分布的X分量，其中X轴对应于电子行进的方向，并且Y轴对应于激光传播的方向。从图6可以看出，这种结构的加速单元在光栅中心区域形成了高梯度的加速电场，能够对相对论电子进行加速。图7为电子加速的仿真结果，电子在入口端能量为60 MeV,出口端能量为60.53 MeV，电子在加速区得到加速。图8为场探针测量结果的傅里叶变化，从图中可以知道加速场的频率带宽很窄，能够有较好加速效果。
综上，电极20和位于电极20之间有源层30、第一波导层40、第二波导层50、反射层60及其他可能的功能层构成一半导体激光器。有源区在外部激励电流作用下实现粒子数反转，达到基本的激光增益条件，有源区产生的激光以一定的耦合系数耦合至波导层中。本发明将介质加速结构创新性地融合在激光器的谐振腔内，也即电子加速区直接位于半导体激光器内部，省去了外部复杂光路的搭建，加速器结构更小巧。通过设置布儒斯特窗，使得谐振腔内部的激光达到很好的与加速方向相同的偏振光，保证光场的线偏特性。
此外，利用控制器对加速区的激励电流进行控制，能够使用阈值电流对谐振腔中的光场进行有效控制，能够实现电子束与光场相位的匹配控制。激励电流对激光加速场的建场时间可控，再采用短光栅级联的方式进行加速，可以有效避开滑相区的减速效果（参考图9），保证每段加速节都有较高的加速梯度，解决滑相问题。
上述实施例中，半导体材料使用了InGaAsP，可以理解的，还可以采用其他激光器所采用的半导体材料。
上述实施例中，加速单元的外形整体呈长方体状，可以理解的，加速单元的外形可做多种变换，例如，在其他实施例中加速单元的在Y轴方向的前端和后端可为弧形突起状或半球形，再例如，在其他实施例中，加速单元在Z轴方向的前端和后端可呈阶梯状或大体呈三角或梯形状。
上述实施例中，布儒斯特窗相对于加速通道呈对称设置，其他实施例中，加速通道两侧的布儒斯特窗可具有在Y轴方向上不同的等效宽度。
上述实施例中，加速通道两侧均设置了光栅，其他实施例中，可仅一侧设置光栅。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

Claims (10)

1.一种半导体激光加速器，其特征在于，包括以级联方式联接起来的多个激光加速单元和用于对供给各激光加速单元的激励电流进行控制的控制器，定义一XYZ空间直角坐标系，则每个激光加速单元都形成有一条沿X轴方向延伸的加速通道，且所述激光加速单元包括：
位于Z轴方向前方和后方的电极；
位于电极之间的具有有源区的有源层，所述有源区用于在电极通电时产生激光，所述有源层的主延伸平面平行于XY轴定义的平面；
位于有源层的Z轴方向前方的第一波导层；
位于有源层的Z轴方向后方的第二波导层；以及
位于有源层、第一波导层和第二波导层的Y轴方向前方和后方的反射层；
其中，所述加速通道形成在第一波导层中，所述加速通道的至少一侧形成有光栅，作为加速区；
其中，所述控制器通过调节各个激光加速单元的激励电流的触发时间实现加速区内电磁场的相位的控制调节；所述加速区的Y轴方向的前方和后方还形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗。
2.根据权利要求1所述的半导体激光加速器，其特征在于，所述加速通道的两侧均形成有光栅。
3.根据权利要求1所述的半导体激光加速器，其特征在于，所述布儒斯特窗是通过在半导体材料上进行刻蚀形成的，定义布儒斯特角为θ，则所述布儒斯特窗相对Y轴的倾斜角度为θ或π-θ，且布儒斯特角θ与真空折射率n2和半导体材料折射率n1的关系为
Figure 670187DEST_PATH_IMAGE001
。
4.根据权利要求3所述的半导体激光加速器，其特征在于，定义所述加速通道在Y轴方向的宽分别为C，布儒斯特窗中的真空在Y轴方向的等效宽度为D’，激光谐振腔内介质在Y轴方向的等效宽度为L’，激光波长为λ，则
Figure 874903DEST_PATH_IMAGE002
，m为正整数。
5.根据权利要求4所述的半导体激光加速器，其特征在于，所述有源区和形成所述布儒斯特窗的半导体材料包括InGaAsP半导体材料。
6.一种半导体激光加速单元，定义一XYZ空间直角坐标系，其特征在于，所述半导体激光加速单元为如权利要求1所述的激光加速单元。
7.根据权利要求6所述的半导体激光加速单元，其特征在于，所述加速通道的两侧均形成有光栅。
8.根据权利要求6所述的半导体激光加速单元，其特征在于，所述布儒斯特窗是通过在半导体材料上进行刻蚀形成的，定义布儒斯特角为θ，则所述布儒斯特窗相对Y轴的倾斜角度为θ或π-θ，且布儒斯特角θ与真空折射率n2和半导体材料折射率n1的关系为
Figure 11487DEST_PATH_IMAGE001
。
9.根据权利要求8所述的半导体激光加速单元，其特征在于，定义所述加速通道在Y轴方向的宽分别为C，布儒斯特窗中的真空在Y轴方向的等效宽度为D’，激光谐振腔内介质在Y轴方向的等效宽度为L’，激光波长为λ，则
Figure 385092DEST_PATH_IMAGE002
，m为正整数。
10.根据权利要求9所述的半导体激光加速单元，其特征在于，所述有源区和形成所述布儒斯特窗的半导体材料包括InGaAsP半导体材料。
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