预聚束太赫兹自由电子激光技术原理与设计研究取得进展

太赫兹（THz）电磁波介于毫米波与红外光之间，是一个尚未被完全认知和利用的频段。太赫兹科学技术在近二十年中得到了迅猛发展，在应用领域的研究也正在广泛开展之中。但由于缺乏合适的THz光源，尤其是单色大频率范围可调谐的THz激光光源，制约了相关研究方向的发展。 

THz光可基于激光技术、电子辐射等而产生。在光学领域，THz量子级联激光器近年得到了迅猛发展，但其功率，根据频率不同，限制在百微瓦至瓦量级，这类半导体激光器具有非常有限的调谐范围，同时其所需的低温运行环境也是限制其广泛应用的因素之一。基于加速器的THz电子辐射源具备高功率的特点，但其装置规模庞大、造价高昂，难以普及。发展紧凑型，甚至便携式，同时具备高功率、大频率范围可调特点的THz辐射源是相关研究方向的重要前沿，但目前国际上这个方向的进展缓慢。 

自2015年中期以来，在陆亚林教授领导下，成立了国家同步辐射实验室“先进THz技术课题组”，该课题组结合国家同步辐射实验室的技术特长，集中实验室关键技术力量，充分发挥团队作用，围绕“紧凑型THz电子辐射源”这一主题，开展理论研究及关键技术发展，并在近期取得了系列研究进展。 

在连续波THz辐射方面，该课题组利用其发现的特异Smith-Purcell效应，提高电子束与辐射之间的能量转换效率，进而提出了一种可基于成熟电子源技术来产生W量级辐射功率、频率可到1.5 THz的奥罗管辐射源方案。该论文发表于Applied physics letters, 108, 183510, (2016)（全文链接：http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/108/18/10.1063/1.4949015），该光源具备低成本、便携式的特点。

图1.THz奥罗管方案示意图及辐射功率

为得到更高功率的连续波THz辐射源，该课题组提出一种THz尾场辐射自由电子激光谐波产生技术，可基于技术成熟的、可移动的高压直流电子枪产生kW量级的THz辐射源。该论文发表于Optics letters, 46 (11), 2458, (2016)（全文链接：

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-41-11-2458&origin=search）。

图2.THz尾场辐射的纵向电场及辐射频谱