In this paper, we present an electron acceleration model based on Bloch surface waves (BSWs). In our model, a dielectric multilayer deposited on a prism substrate is used to generate BSWs by a femtosecond laser pulse. It is found that the field enhancement factor of BSWs is larger than that of surface plasmon polaritons. We numerically solve Maxwell's equations to explain the phenomenon in space and time domain. Various aspects of the acceleration mechanism are discussed, including BSWs coupling and evanescent attenuation, the influence of electron injection time and angle, the kinetic energy spectrum, the angular distribution, and the angular-resolved energy spectrum. Such a model provides an all-optical method for electron acceleration.
References
1.
L.
Robson
, P. T.
Simpson
, R. J.
Clarke
, K. W. D.
Ledingham
, F.
Lindau
, O.
Lundh
, T.
McCanny
, P.
Mora
, D.
Neely
, C.-G.
Wahlström
, M.
Zepf
, and P.
McKenna
, Nat. Phys.
3
, 58
(2007
).2.
H. B.
Zhuo
, Z. L.
Chen
, W.
Yu
, Z. M.
Sheng
, M. Y.
Yu
, Z.
Jin
, and R.
Kodama
, Phys. Rev. Lett.
105
, 065003
(2010
).3.
A. H.
Zewail
, Science
328
, 187
(2010
).4.
M.
Gulde
, S.
Schweda
, G.
Storeck
, M.
Maiti
, H. K.
Yu
, A. M.
Wodtke
, S.
Schäfer
, and C.
Ropers
, Science
345
, 200
(2014
).5.
X. Y.
Lu
, J. F.
Picard
, M. A.
Shapiro
, I.
Mastovsky
, R. J.
Temkin
, M.
Conde
, J. G.
Power
, J. H.
Shao
, E. E.
Wisniewski
, M. M.
Peng
, G.
Ha
, J.
Seok
, S.
Doran
, and C. G.
Jing
, Appl. Phys. Lett.
116
, 264102
(2020
).6.
A.
Nassiri
, B.
Chase
, P.
Craievich
, A.
Fabris
, H.
Frischholz
, J.
Jacob
, E.
Jensen
, M.
Jensen
, R.
Kustom
, and R.
Pasquinelli
, IEEE Trans. Nucl. Sci.
63
, 707
(2016
).7.
T.
Tajima
and J. M.
Dawson
, Phys. Rev. Lett.
43
, 267
(1979
).8.
E.
Gschwendtner
and P.
Muggli
, Nat. Rev. Phys.
1
, 246
(2019
).9.
E.
Esarey
, C. B.
Schroeder
, and W. P.
Leemans
, Rev. Mod. Phys.
81
, 1229
(2009
).10.
S. E.
Irvine
, A.
Dechant
, and A. Y.
Elezzabi
, Phys. Rev. Lett.
93
, 184801
(2004
).11.
12.
S. E.
Irvine
and A. Y.
Elezzabi
, Opt. Express
14
, 4115
(2006
).13.
14.
M. N.
Rosenbluth
and C. S.
Liu
, Phys. Rev. Lett.
29
, 701
(1972
).15.
S. L.
Lange
, N. K.
Noori
, T. M. B.
Kristensen
, K.
Steenberg
, and P. U.
Jepsen
, J. App. Phys.
128
, 070901
(2020
).16.
E. A.
Nanni
, W. R.
Huang
, K. H.
Hong
, K.
Ravi
, A.
Fallahi
, G.
Moriena
, R. J. D.
Miller
, and F. X.
Kärtner
, Nat. Commun.
6
, 8486
(2015
).17.
M.
Lenzner
, J.
Krüger
, S.
Sartania
, Z.
Cheng
, Ch.
Spielmann
, G.
Mourou
, W.
Kautek
, and F.
Krausz
, Phys. Rev. Lett.
80
, 4076
(1998
).18.
R. J.
England
, R. J.
Noble
, K.
Bane
, D. H.
Dowell
, C. K.
Ng
, J. E.
Spencer
, S.
Tantawi
, and Z. R.
Wu
, Rev. Mod. Phys.
86
, 1337
(2014
).19.
A.
Mizrahi
and L.
Schächter
, Phys. Rev. E
70
, 016505
(2004
).20.
B.
Naranjo
, A.
Valloni
, S.
Putterman
, and J. B.
Rosenzweig
, Phys. Rev. Lett.
109
, 164803
(2012
).21.
T.
Plettner
, P. P.
Lu
, and R. L.
Byer
, Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
9
, 111301
(2006
).22.
X. E.
Lin
, Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
4
, 051301
(2001
).23.
F.
Luan
, A. K.
George
, T. D.
Hedley
, G. J.
Pearce
, D. M.
Bird
, J. C.
Knight
, and P. S. J.
Russell
, Opt. Lett.
29
, 2369
(2004
).24.
J.
Broeng
, S. E.
Barkou
, T.
Søndergaard
, and A.
Bjarklev
, Opt. Lett.
25
, 96
(2000
).25.
Z. R.
Wu
, R. J.
England
, C. K.
Ng
, B.
Cowan
, C.
McGuinness
, C.
Lee
, M. H.
Qi
, and S.
Tantawi
, Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
17
, 081301
(2014
).26.
J.
Breuer
and P.
Hommelhoff
, Phys. Rev. Lett.
111
, 134803
(2013
).27.
E. A.
Peralta
, K.
Soong
, R. J.
England
, E. R.
Colby
, Z.
Wu
, B.
Montazeri
, C.
McGuinness
, J.
McNeur
, K. J.
Leedle
, D.
Walz
, E. B.
Sozer
, B.
Cowan
, B.
Schwartz
, G.
Travish
, and R. L.
Byer
, Nature
503
, 91
(2013
).28.
N. V.
Sapra
, K. Y.
Yang
, D.
Vercruysse
, K. J.
Leedle1
, D. S.
Black
, R. J.
England
, L.
Su
, R.
Trivedi
, Y.
Miao
, O.
Solgaard
, R. L.
Byer
, and J.
Vucković
, Science
367
, 79
(2020
).29.
R.
Shiloh
, J.
Illmer
, T.
Chlouba
, P.
Yousefi
, N.
Schönenberger
, U.
Niedermayer
, A.
Mittelbach
, and P.
Hommelhoff
, Nature
597
, 498
(2021
).30.
Y.
Adiv
, K. P.
Wang
, R.
Dahan
, P.
Broaddus
, Y.
Miao
, D.
Black
, K.
Leedle
, R. L.
Byer
, O.
Solgaard
, R. J.
England
, and I.
Kaminer
, Phys. Rev. X
11
, 041042
(2021
).31.
R. X.
Wang
, Y.
Wang
, D. G.
Zhang
, G. Y.
Si
, L. F.
Zhu
, L. P.
Du
, S. S.
Kou
, R.
Badugu
, M.
Rosenfeld
, J.
Lin
, P.
Wang
, H.
Ming
, X. C.
Yuan
, and J. R.
Lakowicz
, ACS Nano
11
, 5283
(2017
).32.
R. X.
Wang
, H. Y.
Xia
, D. G.
Zhang
, J. X.
Chen
, L. F.
Zhu
, Y.
Wang
, E. C.
Yang
, T. Y.
Zang
, X. L.
Wen
, G.
Zou
, P.
Wang
, H.
Ming
, R.
Badugu
, and J. R.
Lakowicz
, Nat. Commun.
8
, 14330
(2017
).33.
J. X.
Chen
, D. G.
Zhang
, P.
Wang
, H.
Ming
, and J. R.
Lakowicz
, Phys. Rev. Appl.
9
, 024008
(2008
).34.
Y. H.
Li
, T. L.
Yang
, S. M.
Song
, Z. Y.
Pang
, G. Q.
Du
, and S. H.
Han
, Appl. Phys. Lett.
103
, 041116
(2013
).35.
I.
Degli-Eredi
, J. E.
Sipe
, and N.
Vermeulen
, Opt. Lett.
43
, 1095
(2018
).36.
C.
Genet
and T. W.
Ebbesen
, Nature
445
, 39
(2007
).37.
38.
L. B.
Kong
and Z. Y.
Chen
, Phys. Plasmas
24
, 083111
(2017
).39.
M.
Gerlinger
, A. J.
Rowan
, S.
Horswell
, J.
Larkin
, D.
Endesfelder
, E.
Gronroos
, P.
Martinez
, N.
Matthews
, A.
Stewart
, P.
Tarpey
, I.
Varela
, B.
Phillimore
, S.
Begum
, N. Q.
McDonald
, A.
Butler
, D.
Jones
, K.
Raine
, C.
Latimer
, C. R.
Santos
, M.
Nohadani
, A. C.
Eklund
, B.
Spencer-Dene
, G.
Clark
, L.
Pickering
, G.
Stamp
, M.
Gore
, Z.
Szallasi
, J.
Downward
, P. A.
Futreal
, and C.
Swanton
, New. Engl. J. Med.
366
, 883
(2012
).40.
A.
Yariv
and P.
Yeh
, Photonics: Optical Electronics in Modern Communications
(Oxford University Press
, Oxford
, 2007
).41.
A.
Taflove
and S. C.
Hagness
, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method
, 3rd ed. (Artech House
, Boston
, 2005
).42.
J. P.
Girardeau-Montaut
and C.
Girardeau-Montaut
, J. Appl. Phys.
65
, 2889
(1989
).43.
Y. B.
Zhu
and L. K.
Ang
, Appl. Phys. Lett.
98
, 051502
(2011
).44.
Y. B.
Zhu
, P.
Zhang
, A.
Valfells
, L. K.
Ang
, and Y. Y.
Lau
, Phys Rev. Lett.
110
, 265007
(2013
).45.
P.
Yeh
, A.
Yariv
, and C.
Hong
, J. Opt. Soc. Am.
67
, 423
(1977
).© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.
