基于石墨烯表面等离激元的电子加速方法和仿真方法

本发明涉及离子加速，特别涉及一种基于石墨烯表面等离激元的电子加速方法和仿真方法。

背景技术：

1、粒子加速器是人类探索微观物质世界的重要利器，随着科学技术的不断进步，各个领域的研究人员，对粒子加速器的性能提出了更高的要求。但是，大型加速器在带来高性能的同时也大幅提升了造价，因此，粒子加速器的小型化一直是粒子加速器技术的重要发展方向。高加速梯度是粒子加速器小型化的关键技术，为此研究人员探索了多种高梯度粒子加速技术，如介质激光加速器(dla)，等离子体加速(plasma wake fieldacceleration)，激光尾场加速(laser wake-field acceleration)，双束流加速器(two-beam accelerator)等。不同的高梯度加速机制，具有各自独特的优势，如高流强、高束流品质、制造成本较低等，也决定了其不同的应用领域。

2、目前的介质激光加速器示范装置，主要采用介质光栅加速结构，可分为单边光栅和双边光栅两种。单边光栅由于其开放式的结构，激光脉冲能量的利用率较低，双边光栅结构则会导致电子束通道尺寸较小，限制了其在大束团和重离子加速的应用。

技术实现思路

1、本发明为解决现有的激光脉冲能量的利用率较低，以及电子束通道尺寸较小等问题；提供一种基于石墨烯表面等离激元的电子加速方法和仿真方法，可以有效降低了激光脉冲的反射率，提高其能量利用效率。

2、具体的，本发明提供一种基于石墨烯表面等离激元的电子加速方法，包括：

3、在介质的上表面刻蚀光栅，将石墨烯覆盖于介质上表面，并在石墨烯表面形成等离激元；在介质下表面衬有金属层；

4、激光以入射角θ照射在光栅表面以激发所述等离激元，当满足预设条件时，产生相应的衍射波，当衍射波矢与入射光波矢叠加并与等离激元波长匹配时，产生表面电子共振，以使所述石墨烯表面形成加速通道孔径和加速长度，通过所述等离激元的电场，使束流得到加速。

5、在上述技术方案中，通过入射激光通过光栅耦合的方式，在石墨烯表面形成表面等离激元，由于等离激元的传播长度与入射激光波长相关，当采用thz频率的激光入射时，能在石墨烯表面形成较大加速通道孔径及较长的加速长度，对比现有的介质激光加速器，本发明改善了介质激光加速器的束流孔径，提高了能量利用率，实现激光的能量被等离激元束缚在石墨烯表面，反射损耗极小。

6、在上述技术方案中，令表面电场的x轴为光栅分布方向，z轴为光栅宽度方向，y轴垂直于所述介质上表面方向。

7、当激光以入射角θ照射在光栅表面时，等离激元沿z方向的电场分量加速，石墨烯表面电场沿y方向呈指数衰减。

8、所述激光以入射角θ照射在光栅表面以激发所述等离激发时，满足以下关系：

9、

10、其中，kspp为等离激元波矢；k0为入射激光波矢；n为光栅衍射级次，λ为光栅周期。

11、其中，所述等离激元沿z方向的电场分量加速，还包括：

12、等离激元沿z方向的传播距离为：

13、

14、所述石墨烯表面电场沿y方向呈指数衰减，还包括：

15、在y方向上的穿透深度为：

16、

17、对比现有的介质激光加速器，如果是行波加速方式，需要有较长的束流和电场相互作用长度，即等离激元沿z方向的传播距离lz，这样电场才能为束流提供较大的能量，实现束流能量提升，本发明中可以通过选择波长较大的thz激光，来实现石墨烯表面电场沿y方向ly,等离激元沿z方向的传播距离lz，即束流孔径和作用长度的提升。由于lylz的提升，意味着该方案可以用于大束团的加速，因此该技术可能可以拓展到重离子加速，，而目前已有的介质激光加速器只能加速低流强小束团的电子束。

18、基于同一构思，本发明还提供一种基于石墨烯表面等离激元的电子仿真方法，包括：

19、将石墨烯电导率代入fdtd的石墨烯材料中；

20、设置介质模型，在介质的上表面刻蚀光栅，将石墨烯覆盖于介质上表面，并在石墨烯表面形成等离激元，在介质下表面衬有金属层；

21、将所得的石墨烯电导率导入电磁场仿真计算软件中的介质模型中，

22、调整激光入射角θ，获取不同入射角度下石墨烯表面各个频率的吸收率情况，得到表面电场的分布情况；利用带电粒子束跟踪计算软件，得到带电粒子束参数。

23、对光栅常数，光栅基底厚度以及入射激光角度，进行参数扫描，完成仿真实验。

24、其中，所述石墨烯取20层，仿真获得70至130thz频段的石墨烯介电常数曲线。

25、在上述技术方案中，采用以上的石墨烯光栅结构，对石墨烯表面电场进行了仿真分析，石墨烯表面电场在y方向均呈指数衰减分布，y方向的传播长度在μm量级，在z方向由于传输长度较长而仿真长度较短，指数衰减分布不明显。

26、基于同一构思，本发明还提供一种石墨烯光栅结构，包括介质和金属层；所述石墨烯光栅结构还包括：

27、在所述介质的上表面刻蚀光栅，将石墨烯覆盖于介质上表面，并在石墨烯表面形成等离激元；所述金属层设置于介质下表面；所述光栅表面在接收到一预设角度的激光后，在光栅表面以激发所述等离激元；且仅当满足预设条件时，产生相应的衍射波，当衍射波矢与入射光波矢叠加并与等离激元波长匹配时，产生表面电子共振，以使所述石墨烯表面形成加速通道孔径和加速长度。

28、其中，所述光栅等距离分布于所述介质上表面，且在激光入射后形成表面电场，所述表面电场以光栅分布方向为x轴，光栅宽度方向为z轴，垂直于所述介质上表面方向为y轴；在激光入射所述等离激元沿z方向的电场分量加速，石墨烯表面电场沿y方向呈指数衰减。

29、在上述技术方案中，基于表面等离基元的光栅加速结构，利用表面等离激元将激光脉冲能量束缚与结构表面，降低了激光脉冲的反射率，提高其能量利用效率，为大束团、重离子的加速提供了一种新的方案。

30、基于同一构思，本发明还提供一种激光加速器，所述激光加速器采用如前所述的基于石墨烯表面等离激元的电子加速方法进行粒子加速。

31、与现有技术相比，本技术的有益效果在于：

32、(1)该方法利用等离激元和光栅结构的相互作用，实现了高效的电子加速。通过调节激光入射角度和波长，与等离激元波长匹配产生表面电子共振，使得石墨烯表面形成加速通道，通过所述等离激元的电场，使束流得到加速。

33、(2)相比传统的对比现有的介质激光加速器，如果是行波加速方式，需要有较长的束流和电场相互作用长度，即等离激元沿z方向的传播距离lz，这样电场才能为束流提供较大的能量，实现束流能量提升，本发明中可以通过选择波长较大的thz激光，来实现石墨烯表面电场沿y方向ly,等离激元沿z方向的传播距离lz，即束流孔径和作用长度的提升。

34、(3)由于lylz的提升，意味着该方案可以用于大束团的加速，因此该技术可能可以拓展到重离子加速，，而目前已有的介质激光加速器只能加速低流强小束团的电子束。

35、(4)基于石墨烯表面等离激元的电子加速方法具有很大的应用前景。可以应用于高能物理研究、粒子治疗、射线源、成像技术等领域，为这些领域提供高效、紧凑和经济的电子加速器解决方案。