Ускорители на основе диэлектрических структур относятся к новому классу установок, в которых ускоряющее поле формируется в результате взаимодействия мощных электромагнитных волн с искусственно созданными диэлектрическими модулями. В отличие от классических металлических резонаторов, где ускорение ограничено эффектами пробоя на металлических поверхностях, диэлектрические структуры позволяют существенно увеличить рабочие градиенты за счёт более высоких порогов электрической прочности.
Ключевая идея заключается в использовании периодических диэлектрических материалов, таких как фотонные кристаллы, диэлектрические волноводы или наноструктурированные плёнки, которые обеспечивают замедление фазовой скорости электромагнитной волны до скорости частицы. Это позволяет достичь эффективного синхронизма и обеспечить значительный рост энергии на коротких расстояниях.
В традиционных СВЧ-ускорителях ускоряющие градиенты редко превышают 100 МэВ/м, поскольку выше этого уровня начинают проявляться разрушающие эффекты электрического пробоя. Металлы обладают сравнительно низкой стойкостью к сильным электрическим полям, и даже короткие импульсы высокой мощности приводят к эрозии поверхности и ухудшению добротности резонатора.
Диэлектрики, напротив, обладают:
Эти преимущества стали основой концепции Dielectric Laser Accelerators (DLA) и родственных подходов, где вместо СВЧ-полей используются фемтосекундные лазерные импульсы, распространяющиеся в диэлектрических структурах.
Волноводы из прозрачных материалов (кремний, кварц, сапфир) позволяют направлять лазерное излучение и создавать вблизи их поверхности сильно локализованные электрические поля. Частица, движущаяся вдоль оси волновода, взаимодействует с этими полями и приобретает энергию.
Наиболее изученный вариант ускорителей на основе диэлектриков. Параллельные диэлектрические гребёнки, освещаемые лазерным пучком под углом, создают периодическую стоячую волну, фаза которой синхронизируется с движением электрона. При этом ускоряющее поле концентрируется вблизи щели между гребнями.
Использование трёхмерных диэлектрических кристаллов с запрещёнными зонами для определённых частот позволяет создать резонансные моды с высокой добротностью. В таких системах возможна локализация электромагнитных полей в заданных областях, что даёт гибкость при проектировании ускоряющих каналов.
Микрорезонаторы из диэлектриков позволяют достигать высоких значений добротности и усиливать лазерные поля в локальной области. При правильной настройке резонанса частицы могут ускоряться за счёт взаимодействия с этими модами.
Современные эксперименты показали возможность достижения ускоряющих градиентов порядка 200–500 МэВ/м в диэлектрических структурах при использовании фемтосекундных лазеров в инфракрасном диапазоне. В отличие от традиционных ускорителей, где рабочие частоты ограничены диапазоном нескольких гигагерц, диэлектрические ускорители могут эффективно работать на терагерцевых и оптических частотах.
Это открывает принципиально новые горизонты, так как уменьшение длины волны приводит к пропорциональному уменьшению характерных размеров структуры. Таким образом, ускоритель может быть миниатюризирован до микрометровых масштабов, что делает возможным создание компактных настольных ускорителей.
Несмотря на перспективность, реализация ускорителей на основе диэлектрических структур сталкивается с рядом фундаментальных и инженерных трудностей:
Диэлектрические ускорители могут найти применение в ряде областей: