波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲(THz)輻射在量子材料、分子催化、生命科學(xué)、非線性光學(xué)、場(chǎng)致超導(dǎo)等前沿科學(xué)研究以及下一代通信、氣象與環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢測(cè)、雷達(dá)探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而，目前國(guó)際上強(qiáng)場(chǎng)太赫茲輻射的產(chǎn)生主要集中在0.1–5 THz低頻范圍內(nèi)，如何在5–30 THz頻段實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)且具高強(qiáng)度輸出的太赫茲輻射，一直是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

自由電子激光作為能夠產(chǎn)生波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、高功率太赫茲輻射的先進(jìn)光源，為解決這一難題提供了全新途徑。特別是依托高增益X射線自由電子激光裝置發(fā)展強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源，有望推動(dòng)“太赫茲泵浦—X射線探測(cè)”技術(shù)實(shí)現(xiàn)重要突破。然而，目前國(guó)際上僅有少數(shù)X射線自由電子激光裝置能夠產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的太赫茲輻射，且多采用束團(tuán)壓縮方案，存在頻率調(diào)諧范圍受限、輻射能量不足等問(wèn)題，難以滿足前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的更高需求。

圖1 強(qiáng)場(chǎng)THz 輻射產(chǎn)生原理和布局圖

為攻克5–30 THz波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)強(qiáng)場(chǎng)太赫茲產(chǎn)生的國(guó)際難題，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(以下簡(jiǎn)稱“上海高研院”)自由電子激光團(tuán)隊(duì)自2021年起，發(fā)展了基于拍頻激光操控電子束、利用束流集體效應(yīng)增強(qiáng)微聚束，進(jìn)而產(chǎn)生大范圍連續(xù)可調(diào)強(qiáng)場(chǎng)太赫茲自由電子激光的新方案。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)自主研制了雙周期可切換的高場(chǎng)強(qiáng)電磁扭擺器，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了關(guān)鍵的理論支撐與技術(shù)保障。

依托我國(guó)光子大科學(xué)設(shè)施——上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)，研究團(tuán)隊(duì)近期首次成功驗(yàn)證了該方案的可行性，并實(shí)現(xiàn)了7-30 THz(波長(zhǎng)約10–40微米)連續(xù)可調(diào)的國(guó)際峰值亮度最高的太赫茲輻射。該源的單脈沖能量高達(dá)400微焦，光譜帶寬(FWHM)為7.7% 到14.7%，能量抖動(dòng)(RMS)低于10%，脈沖長(zhǎng)度可在300飛秒至3皮秒之間靈活調(diào)節(jié)，最高重復(fù)頻率達(dá)50 Hz。若進(jìn)一步結(jié)合超導(dǎo)連續(xù)波加速器技術(shù)，其重復(fù)頻率有望提升至MHz量級(jí)。這一成果顯著拓展了強(qiáng)場(chǎng)太赫茲輻射的性能邊界，為前沿科學(xué)研究和關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖2?實(shí)測(cè)強(qiáng)場(chǎng)太赫茲輻射脈沖能量、光斑(19 THz)和光譜

相關(guān)工作以“Continuous THz Band Coverage through Precise Electron Beam Tailoring in Free-electron Lasers”為題在線發(fā)表于Nature Photonics (自然·光子學(xué))。論文的第一作者為上海高等研究院博士后康尹，共同第一作者為清華大學(xué)博士生李彤，通訊作者為上海高等研究院張開(kāi)慶高級(jí)工程師、馮超研究員及趙振堂院士。

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、高研創(chuàng)新基金-培育項(xiàng)目及中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助。

審核編輯 黃宇