太赫茲(THz，1012Hz)是頻率介于微波與紅外之間的電磁波輻射，在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域有重大需求。在需求最迫切的1-10THz頻段，電子學(xué)和光學(xué)方法尚難以產(chǎn)生高功率、窄帶寬且連續(xù)可調(diào)諧的THz輻射，因而被科學(xué)界稱為“THz間隙”難題。

加速器電子束可以通過多種機(jī)制產(chǎn)生高功率THz輻射。不考慮橫向影響，當(dāng)電子束長度遠(yuǎn)大于輻射波長時(shí)，電子束輻射不相干，輻射功率與電子數(shù)目成正比；而當(dāng)電子束長度顯著小于輻射波長時(shí)，束團(tuán)電子的輻射場可相干疊加，此時(shí)輻射功率與電子數(shù)目平方成正比，遠(yuǎn)強(qiáng)于非相干輻射。如產(chǎn)生1THz的強(qiáng)相干輻射，需要大電荷量(如1nC)電子束長度顯著小于1ps。

由于空間電荷排斥力和束流傳輸非線性，大電荷量電子束難以壓縮到足夠短的長度，導(dǎo)致其產(chǎn)生的THz輻射功率和可調(diào)范圍受到很大限制。因此，現(xiàn)有的加速器THz輻射用戶裝置通常采用較長的電子束（~ps量級），且工作在低增益模式，利用約束在諧振腔內(nèi)的THz輻射在磁鐵的扭擺下與高重頻（幾十MHz）電子束相互作用實(shí)現(xiàn)功率放大，造價(jià)較高且不易維護(hù)，很難在單條束線上實(shí)現(xiàn)1-10THz連續(xù)可調(diào)諧的高功率THz輻射。

近十余年來，學(xué)術(shù)界開始探索電子束縱向整形或預(yù)聚束方法，試圖跨越電子束輻射的低增益階段，直接產(chǎn)生高功率相干THz超輻射。其中，電子束被縱向整形為具有周期性密度尖峰的電子微束團(tuán)串，若其周期與輻射波長相同，則在磁鐵的扭擺作用下，這些微束團(tuán)的輻射也會相干疊加，從而產(chǎn)生相干超輻射。與單個(gè)超短束團(tuán)不同，電子微束團(tuán)串的輻射頻譜集中在電子束密度調(diào)制頻率及其諧波處，為窄帶相干輻射。此時(shí)，輻射功率與電子數(shù)目和聚束因子(電子束縱向分布的傅里葉變換)都成平方正比關(guān)系。

但這種可調(diào)THz微束團(tuán)串的產(chǎn)生具有極大挑戰(zhàn)，成為近年來領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。國際上多個(gè)知名加速器實(shí)驗(yàn)室開展了深入研究，在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）期刊上發(fā)表了近10篇研究論文。但迄今實(shí)現(xiàn)的電子微束團(tuán)串頻率調(diào)節(jié)范圍仍十分有限。

近日，清華大學(xué)工程物理系唐傳祥、顏立新課題組在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊上在線發(fā)表了國際首個(gè)覆蓋“THz間隙”的電子束實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，首次產(chǎn)生了1-10THz寬頻域范圍連續(xù)可調(diào)的高聚束因子電子微束團(tuán)串，解決了本領(lǐng)域長期存在的難題，為新型高功率可調(diào)窄帶太赫茲輻射光源發(fā)展及應(yīng)用鋪平了道路。

在該課題組近期提出的方案中，通過控制電子束自身的空間電荷力，可在1-10THz寬頻域范圍獲得高聚束因子的可調(diào)電子微束團(tuán)串，從而可直接產(chǎn)生覆蓋“THz間隙”的高功率的THz超輻射。該方法通過驅(qū)動(dòng)激光整形在加速器光陰極處產(chǎn)生具有初始密度調(diào)制的電子束，結(jié)合非線性空間電荷振蕩在電子槍出口處產(chǎn)生周期性電流尖峰。在下游傳輸中，周期電流尖峰的空間電荷力作用于電子束自身，產(chǎn)生準(zhǔn)線性的能量調(diào)制，進(jìn)一步經(jīng)色散段可轉(zhuǎn)化為尖峰密度調(diào)制。調(diào)節(jié)加速管相位，給電子束施加不同的能量啁啾，經(jīng)壓縮可改變微束團(tuán)間距，從而實(shí)現(xiàn)電子微束團(tuán)串寬頻域可調(diào)。

該方案在清華大學(xué)加速器實(shí)驗(yàn)室獲得了驗(yàn)證，首次成功產(chǎn)生了1-10THz連續(xù)可調(diào)諧的電子微束團(tuán)串，聚束因子達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的0.35。進(jìn)一步模擬表明，利用1nC電荷量的該電子束經(jīng)過3米長波蕩器，可在1-10THz產(chǎn)生百μJ量級連續(xù)可調(diào)諧的窄帶THz輻射。方案僅通過控制束流聚焦，無需增加額外調(diào)控器件，十分簡單有效，且不受重復(fù)頻率限制，因而可發(fā)展高平均功率窄帶THz源。這是國際首個(gè)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的覆蓋1-10THz的電子束產(chǎn)生方法，提供了有效解決“THz間隙”難題的緊湊加速器光源方案。

電子束團(tuán)串的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生(a)半周期非線性空間電荷振蕩后的電子束密度分布和空間電荷力(b)實(shí)驗(yàn)束線，包括光陰極電子槍、加速管、磁壓縮器、電子束和THz診斷設(shè)備(c)(d)關(guān)閉和開啟磁壓縮器測量的電子束縱向相空間(e)未通過偏轉(zhuǎn)磁鐵測量的電子束縱向分布。

相關(guān)研究成果以“可輻射1-10THz高功率窄帶太赫茲的寬頻域可調(diào)電子束團(tuán)串”（Widely tunable electron bunch trains for the generation of high-power narrow-band 1-10 THz radiation）為題在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊。

該工作通訊作者為工物系副教授顏立新，第一作者為工物系2016級博士生梁一凡，現(xiàn)就職于深圳綜合粒子設(shè)施研究院。合作者有唐傳祥教授、杜應(yīng)超副教授、李任愷教授、施嘉儒副教授、程誠副研究員、黃文會教授和劉卓轅、田其立、李彤、林顯彩等博士生。該工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。（清華大學(xué)）