在電磁波譜上，介于微波與紅外之間的一個頻段——太赫茲頻段，一直以來都披著一層神秘的面紗。太赫茲波在公眾間的曝光率遠(yuǎn)不如人們通訊用的無線電波，生活中用的微波，醫(yī)療中用的X射線，以及讓眼睛分辨世界的可見光。但太赫茲輻射一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，便被國際研究學(xué)者譽(yù)為“改變未來世界的十大技術(shù)之一”。
太赫茲輻射能夠有效克服其他波段在成像、醫(yī)療、通訊等應(yīng)用領(lǐng)域存在的一些短板，具有現(xiàn)有技術(shù)無法替代的一些優(yōu)點(diǎn)。然而，目前太赫茲波的推廣應(yīng)用尚存在不少瓶頸，其中之一便是難以獲得強(qiáng)的太赫茲輻射源。目前，產(chǎn)生強(qiáng)太赫茲輻射最有效的方法是利用傳統(tǒng)加速器中的高能電子束在周期性排布的磁鐵構(gòu)成的波蕩器中進(jìn)行扭擺與調(diào)制，產(chǎn)生高亮度的相干輻射。但傳統(tǒng)的直線加速器和電子儲存環(huán)裝置體積大，造價昂貴，發(fā)展小型化新一代輻射源一直是科學(xué)界夢寐以求的奮斗目標(biāo)。
近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實驗室提出飛秒激光驅(qū)動金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器新概念，與南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所合作開展實驗，首次利用這一全新的波蕩器方案實現(xiàn)了強(qiáng)THz輻射輸出。該研究成果于近期發(fā)表在Nature Photonics [11, 242-246 (2017)]上。
實驗中，利用一束亞太瓦級飛秒強(qiáng)激光輻照與頭發(fā)絲直徑相當(dāng)?shù)慕饘俳z靶，通過激光等離子體的強(qiáng)相互作用產(chǎn)生定向的高能電子發(fā)射，由于電荷分離效應(yīng)，在金屬絲上瞬間產(chǎn)生一個極強(qiáng)的徑向瞬態(tài)電場；沿金屬絲方向發(fā)射的大量高能電子在徑向電場的作用下被導(dǎo)引，沿金屬絲傳輸并進(jìn)行周期性螺旋運(yùn)動——相當(dāng)于電子束在一微型波蕩器中的螺旋運(yùn)動，同時獲得了非線性放大的強(qiáng)THz輻射輸出，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1%以上，如圖1所示。
圖1 飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器產(chǎn)生強(qiáng)太赫茲輻射
在該項工作中，電子束能量約100 keV, 波蕩器周期約650 μm。研究人員通過改變金屬絲的直徑來改變徑向電場的強(qiáng)度，從而改變波蕩器周期，獲得了頻率可調(diào)諧的強(qiáng)太赫茲輻射；通過改變金屬絲的長度，首次觀測到了太赫茲輻射強(qiáng)度隨傳輸距離的放大效應(yīng)，放大倍數(shù)達(dá)到10倍以上。
該研究實現(xiàn)的這種全光驅(qū)動的微型波蕩器是一種新型波蕩器，電子束和波蕩器都是由同一束激光同時產(chǎn)生，該波蕩器有望進(jìn)一步拓展，在強(qiáng)THz輻射、新型光源及自由電子激光等相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
論文審稿專家認(rèn)為“該論文描述了一種產(chǎn)生高能準(zhǔn)單周期THz脈沖的新方法”，同時指出“這一研究將會吸引包括激光器、電動力學(xué)（THz波）、電子束、波蕩器及自由電子激光等領(lǐng)域研究者的興趣”。
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