l8 acceleration 2 - niu -...

20
Accelera’on II Coupling of wave with a charged par4cle e.m. waves need to be localized in space to maximize interac4on region. PHYS 790D Special topics in Beam Physics, Fall 2014 1 change in energy velocity dE dt = qv.E applied E field

Upload: dangduong

Post on 10-Nov-2018

216 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Accelera'on  II  

 •  Coupling  of  wave  with  a  charged  par4cle  

•  e.m.   waves   need   to   be   localized   in   space   to  maximize  interac4on  region.  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   1  

change  in    energy  

velocity  

dEdt

= qvvv.EEEapplied    E  field  

accelera'on  with  a  plane  wave  1    

•  consider  a  par4cle    moving  at  an  angle    w.r.t.  a  plane  wave    

•  Change  in  energy  is        where  we  took    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   2  

kkk✓

EEE = E0 cos

⇣!t� !

cz + '

z = �ct cos ✓x = �ct sin ✓

dEds

= eE0 sin ✓ cos[!t(1� � cos ✓) + �]

[from  A.  Chao,  USPAS  lecture  Note  (2000)]  

accelera'on  with  a  plane  wave  2  

•  par4cle  does  not  have  a  net  energy  gain    as                                                                    in  vacuum    

•  this  is  the  essence  of  Woodward-­‐Lawson  theorem  which  states  that  given  a  free-­‐space  field              the  effec4ve  accelera4ng  field  is  of  the  form    

                                                       where    PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  

Fall  2014   3  

dEds

= eE0 sin ✓ cos[!t(1� � cos ✓) + �]

1� � cos ✓ > 0

E0Eeff = ⌘E0

⌘ ⌧ 1

beyond  the  plane-­‐wave  model  

•  laser  beams  are  actually  localized  in  space  •  simplest  mode  is  the  Gaussian  beam  (see  L4)  

•  main  issue  is  that  E-­‐field  is  orthogonal  to  direc4on  of  propaga4on…    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   4  

how  to  characterize  a  laser?  

•  laser  field  are  o[en  wri\en  in  term  of  the  vector  poten4al  

•  and  the  normalized  vector  poten4al  is  o[en  introduced  

•  Amplitude  of  a  transverse  field  of  a  linearly  polarized  laser  pulse  

     

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   5  

EEE = �@AAA

@t, BBB =rrr⇥AAA

aaa =eAAA

mec2

E0[TV/m] =mec2k

ea0 ' 3.21

a0�[µm]

Woodward-­‐Lawson’s  theorem  •  Theorem:  A  charged  par4cle  interac4ng  with  a  wave  in  free  space  does  not  acquire  a  net  energy  gain  

•  Assump4ons:  – wave  in  vacuum  and  free-­‐space  i.e.  with  no  boundaries,    

–  the  charged  par4cle  is  ultra-­‐rela4vis4c  –  no  sta4c  fields  (either  E  or  B)  are  present  –  the  interac4on  region  is  infinite,    –  ponderomo4ve  (nonlinear  forces)  effects  are  neglected  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   6  

� ' 1

Woodward-­‐Lawson’s  theorem  

•  Consequence:  to  have  a  net  energy  gain  communicated  by  a  wave  to  a  charged  par4cle  we  need:  – a  wave  not  in  free-­‐space:    •  boundaries  (as  in  an  RF  cavity),    •  dielectric  media,  gas  

– a  non-­‐ultrarela4vis4c  charged  par4cle  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   7  

Reduc'on  of  laser  phase  velocity      

•  scheme  dubbed  as  inverse  Cerenkov  accelerator                                                                            a  gas  with  index  of  refrac4on          is  introduced  

•  taking                            yields                                                      and  a  net  energy  gain      

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   8  

1� n� cos ✓ = 0

n

cos ✓ = n�1� = 1

dEds

= qE0

p1� n�2

⌧ 1

example  of  Cerenkov  accelerator  

•  accelera4on  by  cou-­‐  pling  a  laser  to  an  e-­‐  beam  in  a  gas  cell,  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   9  

[from  Piot/Tikhoplav/Mellisinos  Proc.  PAC  05  (2005)]  

accelera'on  in  semi-­‐infinite  vacuum  

•  Consider  a  Gaus-­‐  sian  beam  

•  net  energy  gain  is    

 •  our  simple  model  based    on  plane  wave  gives  a      similar  result.    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   10  

[T.  Ple\ner  et  al.,  Phys.  Rev.  ST  Accel.  Beams  8,  121301  (2005)]  

laser  phase  

semi-­‐infinite  vacuum:  experiment  

•  carried  at  SLAC  ~2005  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   11  

semi-­‐infinite  space  

free  space  

[T.  Ple\ner  et  al.,  Phys.  Rev.  ST  Accel.  Beams  8,  121301  (2005)]  

How  to  make  a  laser  with  a  strong  axial  E-­‐field?    

•  The  Helmoltz  equa4on  has  a  solu4on  known  as  Hermite-­‐Gaussian  beams  

 where                              are  Hermite  polynomial  of  rank  n    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   12  

Hn(x)

Hermite  polynomials  

•  Recurrence  rela4on  is    •  First  few  polynomials  are  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   13  

Mul4ply  by  a  Gaussian  

Hermite  polynominals  2  

•  pa\erns  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   14  

linearly-­‐polarized  HG01    

•  consider  HG10  

•  from              so  this  type  of  mode  produced  an  axial  E-­‐field                  (along  the  direc4on  of  propaga4on)    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   15  

rrr.EEE = 0

E

x

= E0xe� x

2+y

2

w

2e

�ik

x

2+y

2

2R2f(⇣)

Ez(x = 0) = E0f(⇣)

use  radially-­‐polarized  mode  instead  

•  asd  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   16  

Donut  “beams”  were  proposed  to  serve  as  an  accelera4on  mechanism  for  charged  

par4cle  beams  

accelera'on  in  free  space  with  a  “donut”  wave  

•  s4ll  L-­‐W  theorem  applies  •  violate  one  of  the  L-­‐W  assump4on  by  having  a  large  axial  E-­‐field  that  can  substan4ally  affect  the  velocity  of  the  par4cle  during  on  laser  cycle  

•  ultra-­‐rela4vis4c  assump4on  breaks  down  and  LW  does  not  apply      

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   17  

laser  accelera'on  with  radially-­‐polarized  pulses  

•  combine  rela4vis4c    e-­‐  with  an  intense    laser  

 •  during  interac4on    e-­‐  mo4on  is  non    ultra-­‐rela4vis4c    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   18  

[L.  J.  Wong  et  al.  Op4cs  Express,  18,  pp.  25035    (2010)]  

a0 ⇠ O(1)

using  waveguides  

•  recently  an  op4cal  cavity  was  tested  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   19  

[E.  Peralta  et  al.,  Nature  503,  91  (2013)]  

laser  accelera'on  in  presence  of  a  magnetosta'c  field  

•  couple  the  laser  to  the    beam    inside  an  undulator  

•  undulator  is  a  magnet  that    provide  a  field  

•  velocity  acquire  a  transverse  component  so  that                                          and  energy  exchange  is  possible.    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   20  

vvv.EEE 6= 0

By = B0 sin(kuz)

[from  J.  P.  Duris  et  al.  Phys.  Rev.  ST  Accel    &  Beams  15,  061301  (2012)]