
波長連續(xù)可調(diào)的強(qiáng)場太赫茲(THz)輻射在量子材料、分子催化、生命科學(xué)、非線性光學(xué)、場致超導(dǎo)等前沿科學(xué)研究以及下一代通信、氣象與環(huán)境監(jiān)測、安全檢測、雷達(dá)探測等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。然而,目前國際上強(qiáng)場太赫茲輻射的產(chǎn)生主要集中在0.1–5 THz低頻范圍內(nèi),如何在5–30 THz頻段實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)且具高強(qiáng)度輸出的太赫茲輻射,一直是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。
自由電子激光作為能夠產(chǎn)生波長連續(xù)可調(diào)、高功率太赫茲輻射的先進(jìn)光源,為解決這一難題提供了全新途徑。特別是依托高增益X射線自由電子激光裝置發(fā)展強(qiáng)場太赫茲源,有望推動“太赫茲泵浦—X射線探測”技術(shù)實現(xiàn)重要突破。然而,目前國際上僅有少數(shù)X射線自由電子激光裝置能夠產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的太赫茲輻射,且多采用束團(tuán)壓縮方案,存在頻率調(diào)諧范圍受限、輻射能量不足等問題,難以滿足前沿科學(xué)實驗和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的更高需求。


圖1 強(qiáng)場THz 輻射產(chǎn)生原理和布局圖
為攻克5–30 THz波長連續(xù)可調(diào)強(qiáng)場太赫茲產(chǎn)生的國際難題,中國科學(xué)院上海高等研究院(以下簡稱“上海高研院”)自由電子激光團(tuán)隊自2021年起,發(fā)展了基于拍頻激光操控電子束、利用束流集體效應(yīng)增強(qiáng)微聚束,進(jìn)而產(chǎn)生大范圍連續(xù)可調(diào)強(qiáng)場太赫茲自由電子激光的新方案。同時,團(tuán)隊自主研制了雙周期可切換的高場強(qiáng)電磁扭擺器,為后續(xù)實驗驗證提供了關(guān)鍵的理論支撐與技術(shù)保障。
依托我國光子大科學(xué)設(shè)施——上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL),研究團(tuán)隊近期首次成功驗證了該方案的可行性,并實現(xiàn)了7-30 THz(波長約10–40微米)連續(xù)可調(diào)的國際峰值亮度最高的太赫茲輻射。該源的單脈沖能量高達(dá)400微焦,光譜帶寬(FWHM)為7.7% 到14.7%,能量抖動(RMS)低于10%,脈沖長度可在300飛秒至3皮秒之間靈活調(diào)節(jié),最高重復(fù)頻率達(dá)50 Hz。若進(jìn)一步結(jié)合超導(dǎo)連續(xù)波加速器技術(shù),其重復(fù)頻率有望提升至MHz量級。這一成果顯著拓展了強(qiáng)場太赫茲輻射的性能邊界,為前沿科學(xué)研究和關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。


圖2?實測強(qiáng)場太赫茲輻射脈沖能量、光斑(19 THz)和光譜
相關(guān)工作以“Continuous THz Band Coverage through Precise Electron Beam Tailoring in Free-electron Lasers”為題在線發(fā)表于Nature Photonics(《自然·光子學(xué)》)。論文的第一作者為上海高研院博士后康尹,共同第一作者為清華大學(xué)博士生李彤,通訊作者為上海高研院張開慶高級工程師、馮超研究員及趙振堂院士。
本研究得到國家自然科學(xué)基金、高研創(chuàng)新基金-培育項目及中國科學(xué)院穩(wěn)定支持青年創(chuàng)新團(tuán)隊項目的資助。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41566-025-01775-1