圖1.超輻射太赫茲自由電子激光原理示意圖(a)實驗布局圖(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系

近日，清華大學工程物理系顏立新教授課題組與中國科學院大連化學物理研究所和深圳先進光源研究院合作，報道了在加速器太赫茲光源領域取得的重要進展。研究團隊在大連相干光源上完成了首個電子束脈沖串驅動的超輻射太赫茲自由電子激光實驗，在1-20THz全頻段實現(xiàn)了百微焦量級的可調窄帶太赫茲輻射輸出，并在10THz頻點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。由于其獨特的頻率特性，太赫茲輻射可有效激發(fā)物質中的多種集體模式，如聲子、磁振子和激子等，因而在超導與量子材料等前沿研究中具有重要應用。然而，由于其位于光學與電子學技術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)展長期面臨技術瓶頸。特別是需求最為迫切的1-10THz頻段，仍缺乏全頻段可調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重衍射效應，電子束與輻射的相互作用顯著減弱，導致傳統(tǒng)的高增益方案難以實現(xiàn)。課題組提出利用超輻射自由電子激光機制的解決思路。該機制的核心在于利用預先形成的太赫茲電子束脈沖串來驅動自由電子激光，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，最終克服衍射效應的限制，實現(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)表的空間電荷力調制方案產(chǎn)生1-10THz寬頻域可調超短電子束脈沖串的工作基礎上，研究團隊進一步引入X波段加速腔對射頻(RF)啁啾中的非線性進行補償，將電子束脈沖串的頻率調節(jié)范圍拓展至15 THz，然后利用其驅動超輻射自由電子激光，成功實現(xiàn)了1-20THz全頻段連續(xù)可調的高功率窄帶太赫茲輻射。

實驗裝置布局如圖1a所示，利用脈沖堆積產(chǎn)生的準平頂紫外激光脈沖串照射在光陰極上，產(chǎn)生具有初始密度調制的電子束脈沖串，隨后經(jīng)過空間電荷振蕩過程轉化為周期性能量調制，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化為目標頻率的密度調制，并輸送到波蕩器中驅動超輻射自由電子激光。圖1b至1d分別展示了通過偏轉腔測量的電子束縱向密度調制、輻射頻譜特性以及輻射脈沖能量隨電荷量平方增長的關系。這些結果不僅驗證了輻射的相干性，也表明通過提高電荷量，可進一步提升輻射能量。

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

如圖2所示，實驗在平面波蕩器構型下實現(xiàn)了1-20THz全頻段百微焦量級的脈沖能量輸出，在10THz頻點單脈沖能量達到390μJ，進一步采用漸變型波蕩器后，單脈沖能量最高達到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錄。

研究成果以“電子束脈沖串驅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：科學與應用》(Light：Science & Applications)。

深圳先進光源研究院梁一凡博士和清華大學工程物理系2022級博士生李彤為論文共同第一作者;清華大學工程物理系教授顏立新、唐傳祥和中國科學院大連化學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家計劃項目、中國科學院科研儀器設備研制項目及國家自然科學基金、清華大學“篤實”專項的資助與支持。

審核編輯 黃宇