電子振蕩器的曙光 小型化自由電子激光研究獲進(jìn)展

  自由電子激光是利用自由電子為工作媒質(zhì)產(chǎn)生的強(qiáng)相干輻射，它的產(chǎn)生機(jī)理不同于原子內(nèi)束縛電子的受激輻射。由于它的工作介質(zhì)是自由電子，因此稱為自由電子激光，這種激光的特點(diǎn)是激光波長和脈沖結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且能夠在大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，有著重要的應(yīng)用前景。

 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐至展、李儒新、劉建勝等在超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的小型化自由電子激光新概念研究方面取得重要進(jìn)展，提出并實(shí)現(xiàn)了一種微型、瞬態(tài)的波蕩器方案。研究人員利用超強(qiáng)超短激光與金屬絲相互作用，在產(chǎn)生高能電子束的同時(shí)，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(qiáng)THz輻射輸出。這一最新研究成果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(yuǎn)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)域具有前所未有的革命性應(yīng)用價(jià)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(duì)電子束進(jìn)行扭擺與調(diào)制，最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(jià)昂貴。發(fā)展小型化、低成本的新一代自由電子激光，包括臺(tái)式化的電子加速器和波蕩器是科學(xué)界一直夢(mèng)寐以求追逐的重大目標(biāo)。

 飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)THz輻射的系統(tǒng)示意圖

 上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的臺(tái)式化高能電子加速器和波蕩器新原理、新概念研究方面進(jìn)行了長期不懈的探索。繼2016年在超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的激光尾波場(chǎng)電子加速獲得創(chuàng)紀(jì)錄高亮度高品質(zhì)電子束重大成果之后，該研究團(tuán)隊(duì)又在超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)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，首次成功構(gòu)建了全光驅(qū)動(dòng)的金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器并實(shí)現(xiàn)了放大的強(qiáng)THz輻射輸出。在該項(xiàng)工作中，研究人員利用一束超強(qiáng)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(shí)基于電荷分離在金屬絲上瞬間產(chǎn)生一個(gè)極強(qiáng)的徑向瞬態(tài)電場(chǎng)；該電場(chǎng)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(jìn)行周期性的螺旋運(yùn)動(dòng)——相當(dāng)于電子束在一微型波蕩器中的螺旋運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了強(qiáng)THz輻射，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1%以上。實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)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，首次觀測(cè)到了THz輻射強(qiáng)度隨傳輸距離的非線性放大效應(yīng)，放大倍數(shù)達(dá)到10倍以上。這種強(qiáng)THz輻射源有望在材料的探測(cè)研究方面獲得重要的應(yīng)用。該項(xiàng)研究中電子束和波蕩器都是由同一束激光同時(shí)產(chǎn)生，這種波蕩器新概念有望進(jìn)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(píng)價(jià)了這一成果，指出“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。……這一概念令人驚嘆，……是產(chǎn)生THz的一個(gè)重要并高效的新方法。”“該論文不僅闡明了實(shí)驗(yàn)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(huì)吸引包括激光器、電動(dòng)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(xiàng)研究中，南開大學(xué)劉偉偉等為THz輻射的測(cè)量提供了先進(jìn)的測(cè)試儀器并合作開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

 該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)B類專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。