华中科技大学在共振太赫兹辐射研究方面取得新进展

近日，《光学快讯》发表了华中科技大学电气学院樊宽军教授团队携手日本大阪大学杨金峰教授团队的合作研究成果，即有关利用加载电介质基底的光栅产生共振太赫兹（THz）辐射的原理验证实验。他们利用兆电子伏特（MeV）超快电子束，成功激发了金属光栅表面波中的共振模式，并将其辐射出去。这种辐射具有出色的方向性，其辐射强度更是远超同一光栅所产生的Smith-Purcell辐射。

此研究成果不仅为操控共振THz辐射提供了一条有效的途径，还对推动高功率、结构紧凑、性价比高的THz源技术发展具有重要意义。详细的研究成果可参见论文《对借助电介质基底从金属光栅中逃逸出的表面太赫兹波的观测》。电气学院博士生漆鸿为论文的第一作者。

《光学快讯》是由美国光学学会出版的国际光学全电子期刊，以其快速出版周期和同行评审的高质量文章，在物理-光学领域，尤其是太赫兹技术研究中占据重要地位，为全球科研工作者提供了展示创新成果的权威平台。

太赫兹技术因其在通信、材料科学和生物成像等领域的应用潜力而受到重视，尽管传统的Smith-Purcell辐射源具有紧凑和可调谐的优点，但其相对较弱的辐射强度限制了其在更广泛领域中的应用。在电子束与周期性光栅的相互作用过程中，大部分能量转化为表面波。由于表面波的相速度低于光速，往往被限制在光栅表面，难以实现有效的远距离传播。为了解决这一难题，团队在光栅下方引入电介质基底，通过改变光栅的色散特性，使得表面波中与电子束产生共振的模式在介质中呈现出辐射波的特性。这种共振THz波的传播方向固定，而Smith-Purcell辐射频率则随传播角度而变化。在本实验所用的光栅上，共振THz辐射强度比Smith-Purcell辐射高出约31倍。这种方法在高功率太赫兹波的产生中具有极大的优势。

电子束通过复合光栅产生THz辐射

实验装置示意图

基于理论分析和三维数值模拟，本研究团队在大阪大学超快电子衍射平台上开展了共振THz辐射的实验。实验采用了S波段光阴极微波电子枪，经由脉冲宽度约为100fs、脉冲能量为20mJ的紫外激光（266nm）照射后，可产生能量为1.6 - 3.1 MeV范围内可调的电子束团。通过超快电子束与辐射光栅的相互作用，所产生的频谱信号由迈克尔逊干涉仪精确测量。实验成功观察到了共振THz辐射的存在，证实了电介质在促进表面波向外传播上起着关键作用。此外，实验还针对辐射角度、电子束-光栅距离、电子束能量、电荷量以及束团长度等参数进行了详细研究，加深了对共振THz辐射特性的理解。本研究为开发结构紧凑、高转换效率的THz源提供了坚实的理论和实验依据。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.525614