近期中國科學院上海光學精密機械研究所李儒新、田野和宋立偉團隊在太赫茲波電子加速領域取得重要進展。研究團隊基于上海光機所新一代超強超短脈沖激光綜合實驗裝置，利用超強超短激光驅動絲波導產(chǎn)生毫焦耳級太赫茲表面波，并采用表面波進行電子加速，解決了高能量太赫茲波產(chǎn)生以及自由空間太赫茲波至波導能量耦合效率低等難題。該項研究將太赫茲波的產(chǎn)生、傳輸及耦合集成到波導上，并在波導管中5mm距離實現(xiàn)了最高1．1 MeV的電子能量增益和210 MV／m的平均加速梯度，較當前太赫茲波加速電子能量增益的世界紀錄提升了近一個量級，同時為全光學集成化電子加速器研究開辟了嶄新途徑。相關研究成果于2023年7月13日以“Megaelectronvolt electron acceleration driven by terahertz surface waves”為題發(fā)表于《自然·光子學》（Nature Photonics）期刊。
小型化集成化的電子加速器將極大地推動其在前沿科學與技術領域的廣泛應用。利用太赫茲波驅動電子加速作為近十年來發(fā)展的新興加速技術，能夠提供比傳統(tǒng)射頻加速更高的加速梯度，是實現(xiàn)小型化、低成本加速裝置的可靠途徑之一，有望將加速器的應用推廣向包括小型實驗室、醫(yī)院等在內(nèi)的更多應用場景。
當前發(fā)展的太赫茲電子加速基于自由空間的太赫茲源技術，太赫茲波產(chǎn)生后，經(jīng)收集、傳輸、偏振轉換，再聚焦至用于加速電子的波導結構。實驗上，為了盡可能提高波導內(nèi)部的太赫茲加速梯度，需要太赫茲源提供足夠的能量以彌補光路中散射、反射，以及模式轉換的能量損耗。常見的太赫茲源，例如基于光學晶體產(chǎn)生的太赫茲輻射通常需要經(jīng)過光學元件的收集及導引，并通過分段波片或相移片進行模式轉換，不可避免地造成能量損失。相比自由空間的太赫茲輻射，束縛于介質表面的光學表面波，如表面等離極化激元（surface plasmon polaritons， SPP），為太赫茲的導引與模式轉換提供了全新的思路。
研究團隊近年來在小型化的激光加速電子源與輻射光源等領域長期探索，并于近期發(fā)現(xiàn)了太赫茲表面等離極化激元相干放大機制（Nature 611， 55–60 （2022）），能夠實現(xiàn)高功率表面等離極化激元相干輻射源。圍繞軸對稱金屬圓柱形波導上的太赫茲表面等離極化激元的索莫菲波屬性，以及對低色散基橫磁（TM）模式，研究團隊進一步將此高功率的太赫茲表面等離極化激元直接與加速波導耦合，實現(xiàn)了85％的耦合效率，能有效將飛秒激光泵浦金屬圓柱波導產(chǎn)生的毫焦耳級太赫茲能量與電子束作用，并最終在5mm長度上使電子獲得最高1．1 MeV的能量增益及210 MV／m的平均加速梯度，將當前國際上太赫茲波驅動的電子能量增益最好結果提升了近一個量級。
未來，研究團隊將基于這一太赫茲表面波模式驅動電子加速的全新方案進一步發(fā)展集成化的全光學電子加速技術，并拓展其在小型輻射源及材料檢測等領域的交叉應用。
相關研究工作的合作團隊包括北京航空航天大學與張江實驗室等，該工作共同第一作者為上海光機所博士研究生余謝秋與特別研究助理曾雨珊，工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、中科院先導B、基礎研究特區(qū)計劃、中科院人才引進計劃、國家自然科學基金、中科院青促會和上海市科技啟明星揚帆計劃等支持。
圖1 太赫茲表面波驅動電子加速實驗示意圖
圖2 實驗測得的最大電子能量增益結果
圖3 自由空間（a）與金屬圓柱波導（b）太赫茲耦合狀態(tài)下，加速波導內(nèi)的電場強度對比（c）
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