圖1.超輻射太赫茲自由電子激光原理示意圖(a)實(shí)驗布局圖(b)電子束縱向分布(c)輻射頻譜特性(d)輻射脈沖能量隨電荷量平方增長關(guān)系

近日，清華大學(xué)工程物理系顏立新教授課題組與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和深圳先進(jìn)光源研究院合作，報道了在加速器太赫茲光源領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊在大連相干光源上完成了首個電子束脈沖串驅(qū)動的超輻射太赫茲自由電子激光實(shí)驗，在1-20THz全頻段實(shí)現(xiàn)了百微焦量級的可調(diào)窄帶太赫茲輻射輸出，并在10THz頻點(diǎn)獲得了接近毫焦的單脈沖能量。這一成果刷新了國際上該頻段的輻射能量紀(jì)錄，為解決光源的“太赫茲間隙”難題提供了有效途徑。

太赫茲輻射(Terahertz Radiation, THz)通常指頻率在0.1-10THz的電磁波，對應(yīng)波長為3mm至30μm，是介于微波與紅外光之間的電磁波段。由于其獨(dú)特的頻率特性，太赫茲輻射可有效激發(fā)物質(zhì)中的多種集體模式，如聲子、磁振子和激子等，因而在超導(dǎo)與量子材料等前沿研究中具有重要應(yīng)用。然而，由于其位于光學(xué)與電子學(xué)技術(shù)所覆蓋頻譜的過渡區(qū)間，高功率、窄帶寬太赫茲輻射源的發(fā)展長期面臨技術(shù)瓶頸。特別是需求最為迫切的1-10THz頻段，仍缺乏全頻段可調(diào)的高功率窄帶輻射的有效產(chǎn)生方法，這一困境被稱為“太赫茲間隙”(Terahertz gap)難題。

基于超短電子束相干輻射機(jī)制，顏立新課題組對此開展了近二十年的持續(xù)探索研究。盡管自由電子激光(Free-electron Laser, FEL)在極紫外和X射線等短波長波段都已取得巨大成功，并發(fā)展出SASE、HGHG、EEHG等多種高增益方案。但在太赫茲波段，受限于其長波長的嚴(yán)重衍射效應(yīng)，電子束與輻射的相互作用顯著減弱，導(dǎo)致傳統(tǒng)的高增益方案難以實(shí)現(xiàn)。課題組提出利用超輻射自由電子激光機(jī)制的解決思路。該機(jī)制的核心在于利用預(yù)先形成的太赫茲電子束脈沖串來驅(qū)動自由電子激光，可以跳過傳統(tǒng)FEL中的微聚束階段，直接利用脈沖串實(shí)現(xiàn)輻射場的相干疊加，從而產(chǎn)生功率與電子數(shù)目平方成正比的高功率相干輻射。微束團(tuán)在波蕩器傳輸過程中，與其產(chǎn)生的輻射場在最大減速相位上持續(xù)相互作用，能夠快速提取電子束能量并大幅提升輻射效率，最終克服衍射效應(yīng)的限制，實(shí)現(xiàn)更高的太赫茲輻射能量。

基于上述思路，在課題組2023年發(fā)表的空間電荷力調(diào)制方案產(chǎn)生1-10THz寬頻域可調(diào)超短電子束脈沖串的工作基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步引入X波段加速腔對射頻(RF)啁啾中的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，將電子束脈沖串的頻率調(diào)節(jié)范圍拓展至15 THz，然后利用其驅(qū)動超輻射自由電子激光，成功實(shí)現(xiàn)了1-20THz全頻段連續(xù)可調(diào)的高功率窄帶太赫茲輻射。

實(shí)驗裝置布局如圖1a所示，利用脈沖堆積產(chǎn)生的準(zhǔn)平頂紫外激光脈沖串照射在光陰極上，產(chǎn)生具有初始密度調(diào)制的電子束脈沖串，隨后經(jīng)過空間電荷振蕩過程轉(zhuǎn)化為周期性能量調(diào)制，并在后續(xù)傳輸過程中不斷加深。通過后續(xù)的加速管和X波段諧波腔，可以調(diào)整電子束的能量和能量啁啾，下游的磁壓縮器將電子束的能量啁啾轉(zhuǎn)化為目標(biāo)頻率的密度調(diào)制，并輸送到波蕩器中驅(qū)動超輻射自由電子激光。圖1b至1d分別展示了通過偏轉(zhuǎn)腔測量的電子束縱向密度調(diào)制、輻射頻譜特性以及輻射脈沖能量隨電荷量平方增長的關(guān)系。這些結(jié)果不僅驗證了輻射的相干性，也表明通過提高電荷量，可進(jìn)一步提升輻射能量。

圖2.輻射的主要特性及能量增長模擬結(jié)果(a)輻射頻譜特性(b)單脈沖能量測量結(jié)果(c)輻射能量增長的模擬結(jié)果

如圖2所示，實(shí)驗在平面波蕩器構(gòu)型下實(shí)現(xiàn)了1-20THz全頻段百微焦量級的脈沖能量輸出，在10THz頻點(diǎn)單脈沖能量達(dá)到390μJ，進(jìn)一步采用漸變型波蕩器后，單脈沖能量最高達(dá)到900μJ，是迄今為止在該頻段窄帶太赫茲源中獲得的國際上最高輻射能量紀(jì)錄。

研究成果以“電子束脈沖串驅(qū)動的超輻射自由電子激光”(Superradiant terahertz free-electron laser driven by electron microbunch trains)為題，于北京時間1月8日發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light：Science & Applications)。

深圳先進(jìn)光源研究院梁一凡博士和清華大學(xué)工程物理系2022級博士生李彤為論文共同第一作者;清華大學(xué)工程物理系教授顏立新、唐傳祥和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員張未卿、吳國榮為論文共同通訊作者。研究得到北京高校卓越青年科學(xué)家計劃項目、中國科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項目及國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)“篤實(shí)”專項的資助與支持。

審核編輯 黃宇