预聚束太赫兹自由电子激光技术原理与设计研究取得进展

太赫兹（THz）电磁波介于毫米波与红外光之间，是一个尚未被完全认知和利用的频段。太赫兹科学技术在近二十年中得到了迅猛发展，在应用领域的研究也正在广泛开展之中。但由于缺乏合适的THz光源，尤其是单色大频率范围可调谐的THz激光光源，制约了相关研究方向的发展。

THz光可基于激光技术、电子辐射等而产生。在光学领域，THz量子级联激光器近年得到了迅猛发展，但其功率，根据频率不同，限制在百微瓦至瓦量级，这类半导体激光器具有非常有限的调谐范围，同时其所需的低温运行环境也是限制其广泛应用的因素之一。基于加速器的THz电子辐射源具备高功率的特点，但其装置规模庞大、造价高昂，难以普及。发展紧凑型，甚至便携式，同时具备高功率、大频率范围可调特点的THz辐射源是相关研究方向的重要前沿，但目前国际上这个方向的进展缓慢。

自2015年中期以来，在陆亚林教授领导下，成立了国家同步辐射实验室“先进THz技术课题组”，该课题组结合国家同步辐射实验室的技术特长，集中实验室关键技术力量，充分发挥团队作用，围绕“紧凑型THz电子辐射源”这一主题，开展理论研究及关键技术发展，并在近期取得了系列研究进展。

在连续波THz辐射方面，该课题组利用其发现的特异Smith-Purcell效应，提高电子束与辐射之间的能量转换效率，进而提出了一种可基于成熟电子源技术来产生W量级辐射功率、频率可到1.5 THz的奥罗管辐射源方案。该论文发表于Applied physics letters, 108, 183510, (2016)，该光源具备低成本、便携式的特点。

图1：THz奥罗管方案示意图及辐射功率

为得到更高功率的连续波THz辐射源，该课题组提出一种THz尾场辐射自由电子激光谐波产生技术，可基于技术成熟的、可移动的高压直流电子枪产生kW量级的THz辐射源。该论文发表于Optics letters, 46 (11), 2458, (2016)

图2：THz尾场辐射的纵向电场及辐射频谱

在辐射频率可连续调谐的THz源方面，该课题组在其掌握的激光脉冲堆积技术及高品质电子脉冲串产生技术的基础上，通过采用高次谐波增强技术提出了一种紧凑型（全长3米左右）、高功率（MW级脉冲功率）、频率大范围连续可调谐（0.5-5.0 THz）的预聚束THz自由电子激光辐射源方案。该论文发表于Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2016, DOI :10.1007/s10762-016-0258-9

图3：预聚束THz自由电子激光辐射源方案图

为克服基于微波电子枪的辐射源在产生低频率（0.5 THz以下）、高重复频率、小型化光源方面的限制，该课题组采用激光脉冲串激发光阴极直流电子枪产生非相对论性电子脉冲串，通过调节电子脉冲重复频率、选择性激发慢波结构的不同高阶模式，并利用非相对论电子束速度可调的特性，提出一种辐射频率0.1-1.0 THz可调的小型化、高重复频率辐射源。该论文发表于Optics Express, 24 (4), 4109, (2016)。

图4：基于直流枪的预聚束辐射源的辐射频率范围及辐射功率

同时，相关研究技术已经申请五项中国发明专利。该课题组正在继续深化相关关键原理和技术的研究，为未来在合肥规划、发展与建设位于低能量区的自由电子激光器大型科学装置提供关键原理和技术储备。