Coherent terahertz radiation from - Berkeley Lab pump-probe experiments. In a pump-probe experiment,

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Transcript of Coherent terahertz radiation from - Berkeley Lab pump-probe experiments. In a pump-probe experiment,

  • Coherent terahertz radiation from laser-wakefield-accelerated electron beams

    PROEFSCHRIFT

    ter verkrijging van de graad van doctor

    aan de Technische Universiteit Eindhoven,

    op gezag van de Rector Magnificus, prof.dr.ir. C.J. van Duijn,

    voor een commissie aangewezen door het College voor Promoties

    in het openbaar te verdedigen

    op dinsdag 4 juli 2006 om 16.00 uur

    door

    Jeroen van Tilborg

    geboren te Eindhoven

  • Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren:

    prof.dr. M.J. van der Wiel

    en

    prof.dr.ir. W.P. Leemans

    Copromotor:

    dr.ir. G.J.H. Brussaard

    This research was performed at the Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley,

    California.

    CIP-DATA LIBRARY TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN

    Tilborg, Jeroen van

    Coherent terahertz radiation from laser-wakefield-accelerated electron beams / by Jeroen

    van Tilborg. – Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2006. – Proefschrift.

    ISBN-10: 90-386-2521-9

    ISBN-13: 978-90-386-2521-8

    NUR 926

    Trefwoorden: deeltjesversnellers / plasmagolven / terahertz-straling / nietlineaire optica

    Subject headings: novel accelerators / electron beams / plasma waves /

    terahertz radiation / ultrafast science / nonlinear optics

    Printed by Printservice Technische Universiteit Eindhoven

    Front cover: author’s impression of the four components critical to the physics in this thesis,

    namely the laser (yellow), plasma (green), electrons (blue), and THz emission (red). Back cover:

    images of the Bay Area, taken by Pierre Michel.

  • Contents

    1. General introduction 1

    1.1 Conventional versus plasma-based acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2 The laser wakefield accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1.3 Electron bunch characterization: analysis of THz emission . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    1.4 Applications for intense THz pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    1.5 About the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2. Laser wakefield acceleration 9

    2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    2.2 Plasma waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.2.1 Wake profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.2.2 Laser self-modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.3 Electron bunch production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.3.1 The separatrix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.3.2 Electron self-trapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2.3.3 Production of short electron bunches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    2.3.4 Dephasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    2.4 Experiment: unchanneled self-modulated LWFA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2.5 Experiment: channel-guided LWFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    3. Coherent transition radiation 27

    3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    3.2 General formalism and assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    3.2.1 Radiation fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    3.2.2 Diffraction effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    3.3 Spectral and angular emission distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    3.3.1 Theoretical framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    3.3.2 The differential energy distribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    3.4 Temporal field profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    3.4.1 Theoretical framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    3.4.2 ECTR(t) in the ultra-relativistic limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    3.4.3 ECTR(t) from mono-energetic electron bunches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    3.4.4 ECTR(t) for various electron momentum distributions . . . . . . . . . . . . . . . 39

    iii

  • Contents

    3.5 Total pulse energy and peak field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    3.5.1 THz pulses from the unchanneled SM-LWFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    3.5.2 THz pulses from the channel-guided LWFA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    3.6 The metal-vacuum versus plasma-vacuum boundary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    4. Bolometric THz characterization 49

    4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    4.2 Experiments on THz scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    4.2.1 THz energy versus charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    4.2.2 Polarization measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    4.3 Semiconductor switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    4.3.1 Configuration and model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    4.3.2 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    5. Electro-optic THz characterization 61

    5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    5.2 Scanning detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    5.2.1 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    5.2.2 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    5.3 Single-shot detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    5.3.1 Non-collinear technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    5.3.2 Spectral-encoding technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    5.3.3 Cross-correlation technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

    5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    6. THz imaging and spatio-temporal coupling 85

    6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    6.2 THz imaging experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    6.3 Spatio-temporal coupling: a ray-based model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

    6.4 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    7. Discussion and conclusions 97

    A. Bolometer basics 103

    B. THz-domain material characterization 105

    C. Electro-optic sampling 109

    C.1 Index ellipsoid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

    C.2 Probing the index ellipse: linear laser polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

    iv

  • Contents

    C.3 Probing the index ellipse: elliptical/circular laser polarization . . . . . . . . . . . . . 113

    C.4 Electro-optic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .