清華新聞網(wǎng)1月13日電 近日，清華大學(xué)工程物理系顏立新教授課題組與中國(guó)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(bào)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(duì)在大連相干光源上完成了首個(gè)電子束脈沖串驅(qū)動(dòng)的超輻射太赫茲自由電子激光實(shí)驗(yàn)，在1-20THz全頻段實(shí)現(xiàn)了百微焦量級(jí)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(guó)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(duì)應(yīng)波長(zhǎng)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(guò)渡區(qū)間，高功率、窄帶寬太赫茲輻射源的發(fā)展長(zhǎng)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(chēng)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(duì)此開(kāi)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(xiàn)等短波長(zhǎng)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(zhǎng)波長(zhǎng)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(lái)驅(qū)動(dòng)自由電子激光，可以跳過(guò)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(chǎng)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(guò)程中，與其產(chǎn)生的輻射場(chǎng)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(duì)進(jìn)一步引入X波段加速腔對(duì)射頻（RF）啁啾中的非線(xiàn)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(dòng)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。
圖1.超輻射太赫茲自由電子激光原理示意圖（a）實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)關(guān)系
實(shí)驗(yàn)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(guò)空間電荷振蕩過(guò)程轉(zhuǎn)化為周期性能量調(diào)制，并在后續(xù)傳輸過(guò)程中不斷加深。通過(guò)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(dòng)超輻射自由電子激光。圖1b至1d分別展示了通過(guò)偏轉(zhuǎn)腔測(cè)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(zhǎng)的關(guān)系。這些結(jié)果不僅驗(yàn)證了輻射的相干性，也表明通過(guò)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(zhǎng)模擬結(jié)果（a）輻射頻譜特性（b）單脈沖能量測(cè)量結(jié)果（c）輻射能量增長(zhǎng)的模擬結(jié)果
如圖2所示，實(shí)驗(yàn)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(jí)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(guó)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(dòng)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(shí)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(jí)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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員張未卿、吳國(guó)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(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)“篤實(shí)”專(zhuān)項(xiàng)的資助與支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02156-7
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：郭玲
