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中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室徐至展、李儒新、劉建勝等在*超短激光驅(qū)動的小型化自由電子激光新概念研究方面取得重要進展，提出并實現(xiàn)了一種微型、瞬態(tài)的波蕩器方案。研究人員利用*超短激光與金屬絲相互作用，在產(chǎn)生高能電子束的同時，巧妙地利用電荷分離效應(yīng)構(gòu)建了微型、瞬態(tài)的電子波蕩器，并基于該全新波蕩器方案獲得了非線性放大的強THz輻射輸出。這一研究成果2月27日在線發(fā)表于《自然-光子學(xué)》(Nature Photonics)。
自由電子激光被稱為第四代光源，可以提供從遠紅外到X射線波段的高亮度相干輻射，在物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域具有的革命性應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的自由電子激光基于射頻加速器產(chǎn)生高能電子束，再利用周期性排布的磁鐵構(gòu)成的波蕩器對電子束進行扭擺與調(diào)制，zui后輻射出高亮度相干輻射。無論是射頻電子加速器或由周期性磁鐵構(gòu)成的電子波蕩器都是體積龐大，造價昂貴。發(fā)展小型化、低成本的新一代自由電子激光，包括臺式化的電子加速器和波蕩器是科學(xué)界一直夢寐以求追逐的重大目標。
上海光機所強場激光物理國家重點實驗室在*超短激光驅(qū)動的臺式化高能電子加速器和波蕩器新原理、新概念研究方面進行了長期不懈的探索。繼2016年在*超短激光驅(qū)動的激光尾波場電子加速獲得創(chuàng)紀錄高亮度高品質(zhì)電子束重大成果之后，該研究團隊又在*超短激光驅(qū)動的微型、瞬態(tài)的波蕩器新概念研究方面取得重大原創(chuàng)突破，成功構(gòu)建了全光驅(qū)動的金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器并實現(xiàn)了放大的強THz輻射輸出。在該項工作中，研究人員利用一束*超短激光輻照金屬絲靶，通過激光與等離子體相互作用產(chǎn)生定向的高能電子發(fā)射，同時基于電荷分離在金屬絲上瞬間產(chǎn)生一個*的徑向瞬態(tài)電場；該電場導(dǎo)引沿金屬絲方向附近發(fā)射的大量高能電子沿金屬絲傳輸并進行周期性的螺旋運動——相當于電子束在一微型波蕩器中的螺旋運動。這種運動產(chǎn)生了強THz輻射，轉(zhuǎn)換效率達到1%以上。實驗中，電子束能量~100 keV，瞬態(tài)波蕩器周期約650微米；通過改變金屬絲的直徑可以改變徑向電場強度，從而改變波蕩器周期，獲得了頻率可調(diào)諧的近單周期寬帶THz輻射；通過改變金屬絲的長度，觀測到了THz輻射強度隨傳輸距離的非線性放大效應(yīng)，放大倍數(shù)達到10倍以上。這種強THz輻射源有望在材料的探測研究方面獲得重要的應(yīng)用。該項研究中電子束和波蕩器都是由同一束激光同時產(chǎn)生，這種波蕩器新概念有望進一步拓展，在短波長甚至X射線自由電子激光等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。
論文審稿人高度評價了這一成果，指出“該論文描述了一種產(chǎn)生高能準單周期THz脈沖的新方法。……這一概念令人驚嘆，……是產(chǎn)生THz的一個重要并的新方法。”“該論文不僅闡明了實驗產(chǎn)生的THz輻射譜與金屬絲直徑的依賴性，而且也闡明了THz輻射的起因。……該文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。”
在該項研究中，南開大學(xué)劉偉偉等為THz輻射的測量提供了先進的測試儀器并合作開展了相關(guān)實驗。
該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)B類專項等項目的支持。
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飛秒強激光驅(qū)動的金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器實現(xiàn)強THz輻射的系統(tǒng)示意圖
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