Generation of high-field, single-cycle terahertz pulses using relativistic electron bunches

For a long time it has been recognized that electromagnetic radiation in the terahertz (1 THz = 1012 Hz) frequency range holds many promises. However, only in the last two decades THz science started living up to its potential. To push the limits of THz science even further the need exists for a broadband THz source, capable of delivering powerful pulses which are either propagating in free-space, or coupled onto a metal wire.We combine a small electron accelerator, with a footprint of an optical table, and afemtosecond laser to create THz radiation. Single-cycle, high-field THz pulses are created using the coherent transition radiation (CTR) process. Because the used relativistic electrons are concentrated into a volume having dimensions smaller than the corresponding wavelength (¿ ¿ 0:3 mm), they emit the radiation coherently at THz frequencies. This leads to powerful THz pulses, either propagating in free-space or coupled onto a metal wire, because the energy collectively released is proportional to the number of electrons (109 = 160 pC) squared. This thesis describes an experimental study into the use of CTR to produce intense single-cycle THz pulses, either propagating in free-space or coupled onto a metal wire.In Ch. 2 the theory of the generation of free-space THz CTR is treated, appropriatefor our experimental situation.In Ch. 3 we present the theory of CTR generated by ellipsoidal electron bunches, which can be used for diagnostics of ellipsoidal electron bunches. Realization of such bunches would solve the problem of space-charge induced emittance degradation. The production of few-MeV, 100 pC electron bunches, which can be focused into a sufficiently small volume, requires state-of-the-art radiofrequency (RF) photogun technology. A major part of the experimental effort has therefore gone into the development of such a RF photogun. In Ch. 4 we discuss the 1.5 cell RF photogun, and the quality of the produced electron bunches, which is comparable to the present state of the art. In Ch. 5 we present the measurements of single-cycle free-space THz pulses, generated using the CTR process. To increase the signal-to-noise ratio we focussed the CTR THz pulses into a small spot. We show that we understand the electric field profile in the focal spot, both the qualitative behavior and the quantitative field strengths. This enables us to make a realistic prediction of the performance of the 1.5 cell RF photogun as a source of free-space THz CTR radiation. We show that is is possible to create THz pulses with peak-electric fields of 100 MV/m, having energies per pulse up to 10 µJ, and bandwidths of 0.1 - 10 THz, using the CTR process in a compact manner. However, this requires more than a single RF photogun because the electron bunches need to be compressed in the longitudinal dimension to ~100 fs. We also find, however, that by focusing a broadband THz pulse one inevitably throws away a substantial part of the pulse energy, because the low frequency components cannot be focused as well as the high frequency components.This problem can be resolved by coupling a THz CTR pulse onto a metal wire.In Ch. 6 we present measurements of intense THz surface plasmon polaritons (SPPs)on a metal wire, generated by launching electron bunches onto a tapered end of the wire.The SPPs were generated on a metal wire of 1.5 mm thickness and had a peak electric fieldof 0.5 MV/m and a full-width-half-maximum (FWHM) pulse length of ~ 6 ps. We havecompared the measured properties of the SPPs with a newly developed theory. The theory predicts the bandwidth correctly, but the measured spectral amplitude was typically a factor of 5 less than the calculated amplitude. Probable causes for thediscrepancy are the tip-to-wire transition and electron scattering in the metal tip, which are both not modeled in the theory. By optimizing the electron beamline and focusing the SPPs to a dimension below the wavelength, by tapering the metal wire into a tip, electric field strengths in excess of ~ 100 MV/m are possible. Elektromagnetische straling in het terahertz (1 THz = 1012 Hz) frequentiegebied biedt vele fascinerende toepassingen, zowel praktisch als in de fundamentele wetenschap. Pas in de laatste 20 jaar is het onderzoek in het THz gebied echt tot bloei gekomen, voornamelijk door de opkomst van femtoseconde lasertechniek, die het mogelijk maakt zeer breedbandige THz pulsen te maken: door het gelijkrichten van een femtoseconde laserpuls wordt een stralingspuls opgewekt die gedurende 1 picoseconde slechts enkele trillingen uitvoert, en dus met een bandbreedte van de orde van 1 THz. Om de grenzen nog verder te verleggen is er grote behoefte aan een gepulste THz bron, die niet alleen zeer breedbandig is (bandbreedte groter dan 1 THz), maar ook zeer krachtige pulsen levert (veldsterktes van 10-100 MV/m).Tot voor kort werd het onderzoek aan THz bronnen vooral gericht op het genereren van vrij propagerende THz pulsen. Recentelijk is er ook grote belangstelling ontstaan voor de mogelijkheid om zogenaamde 'oppervlakteplasmonen' op te wekken in het THz gebied.Gekoppeld aan het oppervlak van een metalen draad kunnen dergelijke elektromagnetisch oppervlaktegolven niet alleen efficient getransporteerd worden, maar ook gefocusseerd tot ver beneden de diffractielimiet. Hiermee zouden geheel nieuwe onderzoeksmogelijkheden gecreëerd worden.Om dergelijke THz pulsen op te kunnen wekken combineren wij een femtosecond laser met een elektronenversneller, die voldoende compact is dat hij gemakkelijk past op een standaard optische tafel. Met behulp van het zogenaamde 'coherente transitiestraling'-proces worden intense THz pulsen gemaakt die slechts een enkele trilling uitvoeren. Relativistische elektronen zenden transitiestraling uit als ze, bijvoorbeeld, door een metalen folie vliegen.De relativistische elektronenpulsen, die door de versneller geproduceerd worden, stralen coherent bij THz frequenties, omdat ze zijn geconcentreerd in een volume kleiner dan de corresponderende golengte (typisch 0.3 mm). Omdat de collectief uitgestraalde energie schaalt met het aantal elektronen in een puls in het kwadraat (de pulslading is typisch 160 pC, overeenkomend met ongeveer 109 elektronen), leidt dit tot zeer krachtige THz pulsen. Dit proefschrift beschrijft een experimentele studie naar het gebruik van coherente transitiestraling om intense THz pulsen te generen die slecht een enkele trilling uitvoeren. Het onderzoek richt zich zowel op het genereren van vrij propagerende THz pulsen als op het opwekken van THz oppervlakteplasmonen gekoppeld aan een metalen draad.In Hfst. 2 wordt de theorie behandeld van het opwekken van vrij propagerende THzpulsen door middel van coherente transitiestraling. In Hfst. 3 wordt de theorie van Hfst. 2 toegepast op ellipsvormige elektronenpulsen met een homogene ladingsverdeling. Dergelijke elektronenpulsen, die pas sinds kort experimenteel gerealiseerd kunnen worden, bieden de mogelijkheid om de helderheid te behouden van intense elektronenbundels waarvan de dynamiek geheel beheerst wordt door ruimteladingskrachten. Coherente transitiestraling maakt diagnostiek mogelijk van dergelijke elektronenpulsen.Voor het opwekken van coherente transitiestraling moeten picoseconde elektronenpulsen met een energie van enkele MeV en pulsladingen van ongeveer 100 pC gefocusseerd worden in een brandpunt van enkele honderden micron. Ditvereist een zogenaamd 'radiofrequent fotokanon', waarin foto-emissie van elektronenpulsen door een femtoseconde laser gecombineerd wordt met ultramoderne radiofrequente (RF) versnellertechnologie. Een groot deel van het experimentele werk is besteed aan het ontwikkelen van een RF fotokanon van zeerhoge kwaliteit, wat beschreven wordt in Hfst. 4. We laten zien dat het door ons gebouwde 1.5 cel RF fotokanon een elektronenbundel levert die in helderheid kan concurreren met de allerbeste fotokanonnen die wereldwijd nu in bedrijf zijn.In Hfst. 5 presenteren we de metingen van vrij propagerende, breedbandige THz pulsen, gegenereerd door middel van coherente transitiestraling. De elektrische veldsterkte van de THz pulsen wordt direct gemeten als functie van de tijd met behulp van de zogenaamde 'elektro-optische' meettechniek. Voldoende signaalsterkte wordt gerealiseerd door de THz pulsen scherp te focusseren. We laten zien dat we het gedrag van het elektrische veld in het brandpunt zowel als functie van de tijd als van positie nauwkeurig kwantitatief begrijpen. Op basis hiervan kunnen we een realistische voorspelling maken hoe goed een RF fotokanonin principe kan fungeren als bron van vrij propagerende THz pulsen. We laten zien dat het mogelijk is om met een compacte opstelling coherente transitiestraling THz pulsen te creëeren met een elektrische veldsterkte van 100 MV/m, 10 µJ energie per puls, en bandbreedtes van 0.1 - 10 THz. Dit vereist echter meer dan alleen een RF fotokanon, omdat de elektronenpulsen gecomprimeerd moeten worden in de longitudinale richting tot ~100 fs. Daarnaast volgt uit onze analyse dat een groot deel van de pulsenergie onvermijdelijk verloren gaat als een breedbandige THz puls gefocusseerd wordt. De reden hiervoor s dat straling bij relatief lage frequenties, en dus relatief lange golengtes, niet zo goed gefocusseerd kunnen worden als de hogere frequenties in een breedbandige puls. Dit probleem kan opgelost worden door THz pulsen te genereren in de vorm van oppervlakteplasmonen op een metalen draad. In Hfst. 6 presenteren we metingen van intense THz oppervlakteplasmonen gekoppeld aan een metalen draad, die gegenereerd zijn door elektronenpulsen op de punt van een metalen draad te schieten. Op een metaaldraad van 1.5 mm dik worden oppervlakteplasmonen opgewekt met een elektrisch veldsterkte van 0.5 MV/m en een puls lengte van ~ 6 ps. De gemeten bandbreedte van de oppervlakteplasmonen is in overeenstemming met een recent ontwikkelde theorie. De theorie voorspelt echter elektrische veldsterktes die typisch een factor 5 hoger dan de gemeten waarden. Mogelijke redenen voor de discrepantie zijn effecten die niet gemodelleerd worden in de theorie, zoals elektronenverstrooiing in de puntvan de draad of de overgang van kegelvormige punt naar een evenwijdige draad. Door optimalisatie van de bundellijn gecombineerd met focusseren van de oppervlakteplasmonen door de metaaldraad toe te laten lopen in een spitse punt, is het mogelijk om elektrische veldsterktes van meer dan ~ 100 MV/m te bereiken.