清华大学工物系在太赫兹电子束研究中取得重要进展_风闻

太赫兹(THz，1012Hz)是频率介于微波与红外之间的电磁波辐射，在基础科学和应用领域有重大需求。在需求最迫切的1-10THz频段，电子学和光学方法尚难以产生高功率、窄带宽且连续可调谐的THz辐射，因而被科学界称为“THz间隙”难题。

加速器电子束可以通过多种机制产生高功率THz辐射。不考虑横向影响，当电子束长度远大于辐射波长时，电子束辐射不相干，辐射功率与电子数目成正比；而当电子束长度显著小于辐射波长时，束团电子的辐射场可相干叠加，此时辐射功率与电子数目平方成正比，远强于非相干辐射。如产生1THz的强相干辐射，需要大电荷量(如1nC)电子束长度显著小于1ps。

由于空间电荷排斥力和束流传输非线性，大电荷量电子束难以压缩到足够短的长度，导致其产生的THz辐射功率和可调范围受到很大限制。因此，现有的加速器THz辐射用户装置通常采用较长的电子束（~ps量级），且工作在低增益模式，利用约束在谐振腔内的THz辐射在磁铁的扭摆下与高重频（几十MHz）电子束相互作用实现功率放大，造价较高且不易维护，很难在单条束线上实现1-10THz连续可调谐的高功率THz辐射。

近十余年来，学术界开始探索电子束纵向整形或预聚束方法，试图跨越电子束辐射的低增益阶段，直接产生高功率相干THz超辐射。其中，电子束被纵向整形为具有周期性密度尖峰的电子微束团串，若其周期与辐射波长相同，则在磁铁的扭摆作用下，这些微束团的辐射也会相干叠加，从而产生相干超辐射。与单个超短束团不同，电子微束团串的辐射频谱集中在电子束密度调制频率及其谐波处，为窄带相干辐射。此时，辐射功率与电子数目和聚束因子(电子束纵向分布的傅里叶变换)都成平方正比关系。

但这种可调THz微束团串的产生具有极大挑战，成为近年来领域研究热点。国际上多个知名加速器实验室开展了深入研究，在《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊上发表了近10篇研究论文。但迄今实现的电子微束团串频率调节范围仍十分有限。

近日，清华大学工程物理系唐传祥、颜立新课题组在《自然·光子学》（Nature Photonics）期刊上在线发表了国际首个覆盖“THz间隙”的电子束实验验证结果，首次产生了1-10THz宽频域范围连续可调的高聚束因子电子微束团串，解决了本领域长期存在的难题，为新型高功率可调窄带太赫兹辐射光源发展及应用铺平了道路。

在该课题组近期提出的方案中，通过控制电子束自身的空间电荷力，可在1-10THz宽频域范围获得高聚束因子的可调电子微束团串，从而可直接产生覆盖“THz间隙”的高功率的THz超辐射。该方法通过驱动激光整形在加速器光阴极处产生具有初始密度调制的电子束，结合非线性空间电荷振荡在电子枪出口处产生周期性电流尖峰。在下游传输中，周期电流尖峰的空间电荷力作用于电子束自身，产生准线性的能量调制，进一步经色散段可转化为尖峰密度调制。调节加速管相位，给电子束施加不同的能量啁啾，经压缩可改变微束团间距，从而实现电子微束团串宽频域可调。

该方案在清华大学加速器实验室获得了验证，首次成功产生了1-10THz连续可调谐的电子微束团串，聚束因子达到了创纪录的0.35。进一步模拟表明，利用1nC电荷量的该电子束经过3米长波荡器，可在1-10THz产生百μJ量级连续可调谐的窄带THz辐射。方案仅通过控制束流聚焦，无需增加额外调控器件，十分简单有效，且不受重复频率限制，因而可发展高平均功率窄带THz源。这是国际首个经实验验证的覆盖1-10THz的电子束产生方法，提供了有效解决“THz间隙”难题的紧凑加速器光源方案。

电子束团串的实验产生(a)半周期非线性空间电荷振荡后的电子束密度分布和空间电荷力(b)实验束线，包括光阴极电子枪、加速管、磁压缩器、电子束和THz诊断设备(c)(d)关闭和开启磁压缩器测量的电子束纵向相空间(e)未通过偏转磁铁测量的电子束纵向分布。

相关研究成果以“可辐射1-10THz高功率窄带太赫兹的宽频域可调电子束团串”（Widely tunable electron bunch trains for the generation of high-power narrow-band 1-10 THz radiation）为题在线发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）期刊。

该工作通讯作者为工物系副教授颜立新，第一作者为工物系2016级博士生梁一凡，现就职于深圳综合粒子设施研究院。合作者有唐传祥教授、杜应超副教授、李任恺教授、施嘉儒副教授、程诚副研究员、黄文会教授和刘卓辕、田其立、李彤、林显彩等博士生。该工作得到了国家自然科学基金重点项目的支持。（清华大学）