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光學工程
預聚束太赫茲自由電子激光技術原理與設計研究取得進展

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知和利用的頻段。太赫茲科學技術在近二十年中得到了迅猛發展,在應用領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諧的THz激光光源,制約了相關研究方向的發展。 

THz光可基于激光技術、電子輻射等而產生。在光學領域,THz量子級聯激光器近年得到了迅猛發展,但其功率,根據頻率不同,限制在百微瓦至瓦量級,這類半導體激光器具有非常有限的調諧范圍,同時其所需的低溫運行環境也是限制其廣泛應用的因素之一。基于加速器的THz電子輻射源具備高功率的特點,但其裝置規模龐大、造價高昂,難以普及。發展緊湊型,甚至便攜式,同時具備高功率、大頻率范圍可調特點的THz輻射源是相關研究方向的重要前沿,但目前國際上這個方向的進展緩慢。 

自2015年中期以來,在陸亞林教授領導下,成立了國家同步輻射實驗室“先進THz技術課題組”,該課題組結合國家同步輻射實驗室的技術特長,集中實驗室關鍵技術力量,充分發揮團隊作用,圍繞“緊湊型THz電子輻射源”這一主題,開展理論研究及關鍵技術發展,并在近期取得了系列研究進展。 

在連續波THz輻射方面,該課題組利用其發現的特異Smith-Purcell效應,提高電子束與輻射之間的能量轉換效率,進而提出了一種可基于成熟電子源技術來產生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生技術,可基于技術成熟的、可移動的高壓直流電子槍產生kW量級的THz輻射源。該論文發表于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

 

在輻射頻率可連續調諧的THz源方面,該課題組在其掌握的激光脈沖堆積技術及高品質電子脈沖串產生技術的基礎上,通過采用高次諧波增強技術提出了一種緊湊型(全長3米左右)、高功率(MW級脈沖功率)、頻率大范圍連續可調諧(0.5-5.0 THz)的預聚束THz自由電子激光輻射源方案。該論文發表于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生低頻率(0.5 THz以下)、高重復頻率、小型化光源方面的限制,該課題組采用激光脈沖串激發光陰極直流電子槍產生非相對論性電子脈沖串,通過調節電子脈沖重復頻率、選擇性激發慢波結構的不同高階模式,并利用非相對論電子束速度可調的特性,提出一種輻射頻率0.1-1.0 THz可調的小型化、高重復頻率輻射源。該論文發表于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.基于直流槍的預聚束輻射源的輻射頻率范圍及輻射功率

 

同時,相關研究技術已經申請五項中國發明專利。該課題組正在繼續深化相關關鍵原理和技術的研究,為未來在合肥規劃、發展與建設位于低能量區的自由電子激光器大型科學裝置提供關鍵原理和技術儲備。


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