纤维基底电子加速的基本极限——以及如何克服它们

要通过电磁脉冲沿空心芯纤维线加速超相对论带电粒子（如电子），该脉冲需要具有纵向电场分量且相位速度为 $c$（真空中光速）。我们推导了金属包覆带介质层空心纤维中 TM$_{01}$ 模相位速度为 $c$ 时的波长的近似闭式表达式。随后推导了实现相位速度和群速度同时为 $c$ 所需介质材料色散的条件。结果显示，色散将需要呈现如此强的异常色散，以至于在异常色散 regime 中的损耗会使该粒子加速器变得毫无用处。我们随后提出利用两种光谱峰的介质增益来克服上述基本限制，使 TM$_{01}$ 脉冲能够实现相位速度和群速度为 $c$，从而实现纤维基底电子加速器的任意长度比例缩放。理论上，还可通过进一步的增益辅助色散工程使群速度色散为零，实现介质脉冲与相对论粒子共传播。