工物系颜立新课题组合作在1-20THz全频段连续可调THz光源中取得重要进展
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清华新闻网1月13日电 近日，清华大学工程物理系颜立新教授课题组与中国科学院大连化学物理研究所和深圳先进光源研究院合作，报道了在加速器太赫兹光源领域取得的重要进展。研究团队在大连相干光源上完成了首个电子束脉冲串驱动的超辐射太赫兹自由电子激光实验，在1-20THz全频段实现了百微焦量级的可调窄带太赫兹辐射输出，并在10THz频点获得了接近毫焦的单脉冲能量。这一成果刷新了国际上该频段的辐射能量纪录，为解决光源的“太赫兹间隙”难题提供了有效途径。
太赫兹辐射（Terahertz Radiation, THz）通常指频率在0.1-10THz的电磁波，对应波长为3mm至30μm，是介于微波与红外光之间的电磁波段。由于其独特的频率特性，太赫兹辐射可有效激发物质中的多种集体模式，如声子、磁振子和激子等，因而在超导与量子材料等前沿研究中具有重要应用。然而，由于其位于光学与电子学技术所覆盖频谱的过渡区间，高功率、窄带宽太赫兹辐射源的发展长期面临技术瓶颈。特别是需求最为迫切的1-10THz频段，仍缺乏全频段可调的高功率窄带辐射的有效产生方法，这一困境被称为“太赫兹间隙”（Terahertz gap）难题。
基于超短电子束相干辐射机制，颜立新课题组对此开展了近二十年的持续探索研究。尽管自由电子激光（Free-electron Laser, FEL）在极紫外和X射线等短波长波段都已取得巨大成功，并发展出SASE、HGHG、EEHG等多种高增益方案。但在太赫兹波段，受限于其长波长的严重衍射效应，电子束与辐射的相互作用显著减弱，导致传统的高增益方案难以实现。课题组提出利用超辐射自由电子激光机制的解决思路。该机制的核心在于利用预先形成的太赫兹电子束脉冲串来驱动自由电子激光，可以跳过传统FEL中的微聚束阶段，直接利用脉冲串实现辐射场的相干叠加，从而产生功率与电子数目平方成正比的高功率相干辐射。微束团在波荡器传输过程中，与其产生的辐射场在最大减速相位上持续相互作用，能够快速提取电子束能量并大幅提升辐射效率，最终克服衍射效应的限制，实现更高的太赫兹辐射能量。
基于上述思路，在课题组2023年发表的空间电荷力调制方案产生1-10THz宽频域可调超短电子束脉冲串的工作基础上，研究团队进一步引入X波段加速腔对射频（RF）啁啾中的非线性进行补偿，将电子束脉冲串的频率调节范围拓展至15 THz，然后利用其驱动超辐射自由电子激光，成功实现了1-20THz全频段连续可调的高功率窄带太赫兹辐射。
图1.超辐射太赫兹自由电子激光原理示意图（a）实验布局图（b）电子束纵向分布（c）辐射频谱特性（d）辐射脉冲能量随电荷量平方增长关系
实验装置布局如图1a所示，利用脉冲堆积产生的准平顶紫外激光脉冲串照射在光阴极上，产生具有初始密度调制的电子束脉冲串，随后经过空间电荷振荡过程转化为周期性能量调制，并在后续传输过程中不断加深。通过后续的加速管和X波段谐波腔，可以调整电子束的能量和能量啁啾，下游的磁压缩器将电子束的能量啁啾转化为目标频率的密度调制，并输送到波荡器中驱动超辐射自由电子激光。图1b至1d分别展示了通过偏转腔测量的电子束纵向密度调制、辐射频谱特性以及辐射脉冲能量随电荷量平方增长的关系。这些结果不仅验证了辐射的相干性，也表明通过提高电荷量，可进一步提升辐射能量。
图2.辐射的主要特性及能量增长模拟结果（a）辐射频谱特性（b）单脉冲能量测量结果（c）辐射能量增长的模拟结果
如图2所示，实验在平面波荡器构型下实现了1-20THz全频段百微焦量级的脉冲能量输出，在10THz频点单脉冲能量达到390µJ，进一步采用渐变型波荡器后，单脉冲能量最高达到900µJ，是迄今为止在该频段窄带太赫兹源中获得的国际上最高辐射能量纪录。
研究成果以“电子束脉冲串驱动的超辐射自由电子激光”（Superradiant terahertz free-electron laser driven by electron microbunch trains）为题，于北京时间1月8日发表于《光：科学与应用》（Light：Science & Applications）。
深圳先进光源研究院梁一凡博士和清华大学工程物理系2022级博士生李彤为论文共同第一作者；清华大学工程物理系教授颜立新、唐传祥和中国科学院大连化学物理研究所研究员张未卿、吴国荣为论文共同通讯作者。研究得到北京高校卓越青年科学家计划项目、中国科学院科研仪器设备研制项目及国家自然科学基金、清华大学“笃实”专项的资助与支持。
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