太赫茲（THz）電磁波介于毫米波與紅外光之間，是一個尚未被完全認(rèn)知和利用的頻段。太赫茲科學(xué)技術(shù)在近二十年中得到了迅猛發(fā)展，在應(yīng)用領(lǐng)域的研究也正在廣泛開展之中。但由于缺乏合適的THz光源，尤其是單色大頻率范圍可調(diào)諧的THz激光光源，制約了相關(guān)研究方向的發(fā)展。
THz光可基于激光技術(shù)、電子輻射等而產(chǎn)生。在光學(xué)領(lǐng)域，THz量子級聯(lián)激光器近年得到了迅猛發(fā)展，但其功率，根據(jù)頻率不同，限制在百微瓦至瓦量級，這類半導(dǎo)體激光器具有非常有限的調(diào)諧范圍，同時其所需的低溫運行環(huán)境也是限制其廣泛應(yīng)用的因素之一。基于加速器的THz電子輻射源具備高功率的特點，但其裝置規(guī)模龐大、造價高昂，難以普及。發(fā)展緊湊型，甚至便攜式，同時具備高功率、大頻率范圍可調(diào)特點的THz輻射源是相關(guān)研究方向的重要前沿，但目前國際上這個方向的進(jìn)展緩慢。
自2015年中期以來，在陸亞林教授領(lǐng)導(dǎo)下，成立了國家同步輻射實驗室“先進(jìn)THz技術(shù)課題組”，該課題組結(jié)合國家同步輻射實驗室的技術(shù)特長，集中實驗室關(guān)鍵技術(shù)力量，充分發(fā)揮團(tuán)隊作用，圍繞“緊湊型THz電子輻射源”這一主題，開展理論研究及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，并在近期取得了系列研究進(jìn)展。
在連續(xù)波THz輻射方面，該課題組利用其發(fā)現(xiàn)的特異Smith-Purcell效應(yīng)，提高電子束與輻射之間的能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提出了一種可基于成熟電子源技術(shù)來產(chǎn)生W量級輻射功率、頻率可到1.5 THz的奧羅管輻射源方案。該論文發(fā)表于Applied physics letters, 108, 183510, (2016)（全文鏈接：http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/108/18/10.1063/1.4949015），該光源具備低成本、便攜式的特點。
圖1：THz奧羅管方案示意圖及輻射功率
為得到更高功率的連續(xù)波THz輻射源，該課題組提出一種THz尾場輻射自由電子激光諧波產(chǎn)生技術(shù)，可基于技術(shù)成熟的、可移動的高壓直流電子槍產(chǎn)生kW量級的THz輻射源。該論文發(fā)表于Optics letters, 46 (11), 2458, (2016)（全文鏈接：
https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-41-11-2458&origin=search）。
圖2：THz尾場輻射的縱向電場及輻射頻譜
在輻射頻率可連續(xù)調(diào)諧的THz源方面，該課題組在其掌握的激光脈沖堆積技術(shù)及高品質(zhì)電子脈沖串產(chǎn)生技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過采用高次諧波增強(qiáng)技術(shù)提出了一種緊湊型（全長3米左右）、高功率（MW級脈沖功率）、頻率大范圍連續(xù)可調(diào)諧（0.5-5.0 THz）的預(yù)聚束THz自由電子激光輻射源方案。該論文發(fā)表于Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2016, DOI :10.1007/s10762-016-0258-9（全文鏈接：http://link.springer.com/article/10.1007/s10762-016-0258-9）。
圖3：預(yù)聚束THz自由電子激光輻射源方案圖
為克服基于微波電子槍的輻射源在產(chǎn)生低頻率（0.5 THz以下）、高重復(fù)頻率、小型化光源方面的限制，該課題組采用激光脈沖串激發(fā)光陰極直流電子槍產(chǎn)生非相對論性電子脈沖串，通過調(diào)節(jié)電子脈沖重復(fù)頻率、選擇性激發(fā)慢波結(jié)構(gòu)的不同高階模式，并利用非相對論電子束速度可調(diào)的特性，提出一種輻射頻率0.1-1.0 THz可調(diào)的小型化、高重復(fù)頻率輻射源。該論文發(fā)表于Optics Express, 24 (4), 4109, (2016)。（全文鏈接：https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-4-4109&origin=search）
圖4：基于直流槍的預(yù)聚束輻射源的輻射頻率范圍及輻射功率
同時，相關(guān)研究技術(shù)已經(jīng)申請五項中國發(fā)明專利。該課題組正在繼續(xù)深化相關(guān)關(guān)鍵原理和技術(shù)的研究，為未來在合肥規(guī)劃、發(fā)展與建設(shè)位于低能量區(qū)的自由電子激光器大型科學(xué)裝置提供關(guān)鍵原理和技術(shù)儲備。
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