|作者：馬湲1,2,3　康尹1　張開(kāi)慶1,2,?　馮超1,2,??

(1 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院）

(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院）

(3 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)

本文選自《物理》2025年第12期

太赫茲(terahertz, THz) 波的頻率范圍通常在0.1—30 THz (波長(zhǎng)3 mm至10 μm)之間，處于電子學(xué)與光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域。這一波段的光子能量(約0.4—124 meV)不僅覆蓋了許多生物大分子的集體振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，更與固體材料中諸如晶格振動(dòng)(聲子)、自旋波(磁振子)以及激子等基本準(zhǔn)粒子的低能激發(fā)態(tài)高度重合[1，2]。因此，太赫茲波被視為探索凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等前沿領(lǐng)域的重要探測(cè)手段。近年來(lái)，隨著研究的深入，科學(xué)界已不再滿(mǎn)足于僅利用弱太赫茲場(chǎng)進(jìn)行線(xiàn)性光譜探測(cè)，而是迫切需求高強(qiáng)度的太赫茲脈沖跨越線(xiàn)性微擾的界限，誘導(dǎo)出一系列新奇的非線(xiàn)性物理現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子材料宏觀(guān)物性的相干操控(如光誘導(dǎo)超導(dǎo)、鐵電性翻轉(zhuǎn)等)[3]。

然而，要實(shí)現(xiàn)上述前沿科學(xué)目標(biāo)，光源必須同時(shí)具備脈沖能量高以及頻率大范圍連續(xù)可調(diào)等關(guān)鍵特性。目前的太赫茲源技術(shù)在填補(bǔ)這一太赫茲間隙(THz gap)時(shí)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室光源，如基于飛秒激光的光整流技術(shù)，雖然能夠產(chǎn)生毫焦耳級(jí)的THz脈沖，但其受限于非線(xiàn)性晶體的相位匹配條件，難以實(shí)現(xiàn)寬范圍的連續(xù)調(diào)諧[4，5]；而基于電子學(xué)的半導(dǎo)體器件或量子級(jí)聯(lián)激光器雖然頻率控制精準(zhǔn)，但隨著頻率升高至THz以上，其輸出功率急劇下降，難以達(dá)到驅(qū)動(dòng)非線(xiàn)性物理所需的峰值場(chǎng)強(qiáng)[6，7]。長(zhǎng)期以來(lái)，“高功率”與“頻率大范圍連續(xù)可調(diào)”這兩個(gè)特性難以兼得，這嚴(yán)重制約了強(qiáng)場(chǎng)太赫茲的應(yīng)用。

自由電子激光(free-electron laser，F(xiàn)EL)作為一種基于相對(duì)論電子束的新型強(qiáng)相干光源，憑借其工作頻率不依賴(lài)于特定介質(zhì)材料的優(yōu)勢(shì)，理論上可覆蓋全頻譜且具備高功率輸出的潛力，被認(rèn)為是解決上述瓶頸的有效方案。盡管如此，國(guó)際上現(xiàn)有的THz FEL運(yùn)行模式在產(chǎn)生可調(diào)諧窄帶強(qiáng)場(chǎng)THz方面仍存在顯著局限。傳統(tǒng)的諧振腔型FEL受限于光學(xué)諧振腔的物理尺寸及反射鏡的帶寬和損傷閾值，難以獲得極高的峰值功率且調(diào)諧范圍有限[8]；基于自放大自發(fā)輻射(SASE)模式的FEL雖然功率極高，但其起始于電子束的隨機(jī)初始噪聲，導(dǎo)致輸出脈沖在時(shí)域和頻域上存在固有的本征漲落，導(dǎo)致相干性的退化[9]；而基于超輻射機(jī)制的FEL雖然能產(chǎn)生相干輻射，但要求將高電荷量電子束的長(zhǎng)度壓縮至遠(yuǎn)短于輻射波長(zhǎng)(即百飛秒量級(jí))，這在低能加速器上不僅面臨極大的空間電荷效應(yīng)挑戰(zhàn)，且輻射放大過(guò)程會(huì)過(guò)早受限于“滑移效應(yīng)”(在每個(gè)向前運(yùn)動(dòng)的周期內(nèi)，光波會(huì)超前于電子的現(xiàn)象)，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率受限，難以在5—30 THz的核心波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益與連續(xù)調(diào)諧[10]。如何在不犧牲束流品質(zhì)的前提下，克服滑移效應(yīng)并突破傳統(tǒng)壓縮機(jī)制的瓶頸，從而獲得覆蓋全太赫茲波段的高功率、窄帶、連續(xù)可調(diào)相干輻射，是亟待解決的核心難題。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，上海軟X射線(xiàn)自由電子激光(SXFEL)團(tuán)隊(duì)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(chǎng)太赫茲自由電子激光的新方案[11]。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)自主研制了雙周期可切換的高場(chǎng)強(qiáng)電磁扭擺器，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了關(guān)鍵的理論支撐與技術(shù)保障。隨后，團(tuán)隊(duì)依托我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——SXFEL裝置[12]，首次驗(yàn)證了該方案的可行性，并實(shí)現(xiàn)了7—30 THz (波長(zhǎng)約10—40 μm)連續(xù)可調(diào)的國(guó)際峰值亮度最高的太赫茲輻射[13]。

在這項(xiàng)工作中，我們首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于拍頻激光調(diào)制電子束的高功率窄帶THz輻射新機(jī)制：利用拍頻激光精確調(diào)制電子束的周期性能量分布，隨后通過(guò)加速器的相空間操控將能量調(diào)制轉(zhuǎn)化為密度調(diào)制的太赫茲微聚束，最終在長(zhǎng)周期扭擺器中實(shí)現(xiàn)相干輻射放大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整兩個(gè)拍頻激光器之間的光學(xué)延遲，實(shí)現(xiàn)了輻射頻率的大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。該項(xiàng)工作的顯著優(yōu)勢(shì)在于：(1)頻率調(diào)諧靈活，電子束微聚束團(tuán)結(jié)構(gòu)由兩束線(xiàn)性啁啾激光通過(guò)光學(xué)拍頻產(chǎn)生，而不是由加速器本身決定，因此僅需調(diào)整兩束啁啾光之間的時(shí)間延遲

圖1　上海軟X射線(xiàn)自由電子激光裝置布局。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括激光系統(tǒng)、直線(xiàn)加速器、太赫茲波蕩器和太赫茲診斷平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。光陰極電子槍產(chǎn)生的400 pC電子束(14.3 ps，4.6 MeV)經(jīng)加速段A1加速至115 MeV后進(jìn)入激光加熱系統(tǒng)。在激光加熱器中，電子束被同步的拍頻激光調(diào)制。該拍頻激光通過(guò)光學(xué)外差技術(shù)產(chǎn)生，將太赫茲尺度的周期性結(jié)構(gòu)投射在電子束的能量分布上。隨后，電子束經(jīng)A2加速至235 MeV并引入線(xiàn)性啁啾。依次經(jīng)過(guò)磁壓縮BC1、加速段A3和BC2后，束流被加速至650 MeV且壓縮約10倍，初始的能量調(diào)制在此過(guò)程中轉(zhuǎn)化為周期性的密度調(diào)制，如圖2所示。最終，電子束在A(yíng)4段加速至1 GeV并消除剩余啁啾，實(shí)驗(yàn)利用X波段偏轉(zhuǎn)腔和能譜儀測(cè)量了束流末端的縱向相空間分布(圖2)。

圖2 電子束的縱向相空間分布和密度分布 (a)不加拍頻激光調(diào)制時(shí)測(cè)量的相空間分布圖；(b)—(f)通過(guò)將兩束拍頻激光之間的時(shí)間延遲從0.68 mm調(diào)至4.2 mm，實(shí)現(xiàn)了拍頻頻率分別為4 THz(b)、10 THz(c)、14.7 THz(d)、19 THz(e)和24 THz(f)的微聚束電子束。其中，橙色線(xiàn)條表示投影密度分布(密度圖像的投影)

圖3展示了SXFEL裝置在7.8—30.8 THz的輸出頻譜。得益于微聚束基頻諧波的放大機(jī)制，輻射光譜帶寬(FWHM)保持在7.7%—14.7%。在24 THz優(yōu)化頻率處，最大單脈沖能量達(dá)到385 μJ，對(duì)應(yīng)的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)65 MV/cm，可用于開(kāi)展強(qiáng)場(chǎng)物理研究。此外，該裝置脈沖能量抖動(dòng)僅為7.3%，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。在可調(diào)性方面，SXFEL裝置具有極高的靈活性，僅需調(diào)整拍頻激光之間的時(shí)間延遲和THz波蕩器的共振頻率即可。

圖3 7.8—30.8THz范圍內(nèi)SXFEL裝置THz輻射的測(cè)量強(qiáng)度和光譜帶寬

這項(xiàng)工作不僅驗(yàn)證了一種新型的THz FEL運(yùn)行模式，更大幅拓展了SXFEL裝置的頻譜覆蓋范圍和支撐前沿科學(xué)用戶(hù)的能力。值得注意的是，由于該實(shí)驗(yàn)裝置利用已有X射線(xiàn)FEL平臺(tái)實(shí)現(xiàn)THz產(chǎn)生，系統(tǒng)可充當(dāng)X射線(xiàn)FEL的“后置THz輻射器”，使THz與X射線(xiàn)同源同步輸出，使得未來(lái)開(kāi)展THz泵浦—X射線(xiàn)探測(cè)實(shí)驗(yàn)成為可能[14]。展望未來(lái)，該技術(shù)將不斷從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證走向工程化應(yīng)用：一方面，若擺脫X射線(xiàn)FEL主參數(shù)的制約，通過(guò)增加太赫茲波蕩器周期數(shù)并優(yōu)化壓縮因子，有望在低能緊湊加速器上實(shí)現(xiàn)，從而催生一類(lèi)新型的“桌面級(jí)”連續(xù)可調(diào)強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源；另一方面，通過(guò)靈活調(diào)整壓縮因子和拍頻激光參數(shù)，其頻率覆蓋范圍有望延伸至涵蓋亞太赫茲至中紅外的整個(gè)區(qū)間(0.1—60 THz)。

綜上所述，這項(xiàng)技術(shù)的突破填補(bǔ)了太赫茲領(lǐng)域的重要空白，預(yù)期將在強(qiáng)場(chǎng)THz科學(xué)、量子材料調(diào)控、非線(xiàn)性光學(xué)及超快光譜學(xué)等前沿領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。SXFEL團(tuán)隊(duì)的未來(lái)研究也會(huì)聚焦在更強(qiáng)脈沖能量和全光譜覆蓋的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲產(chǎn)生等技術(shù)提升上，爭(zhēng)取提高可調(diào)強(qiáng)場(chǎng)太赫茲自由電子激光的全方位性能。

參考文獻(xiàn)

[1] Kubacka T，Johnson J A，Hoffmann M C et al. Science，2014，343(6177)：1333

[2] Li X，Qiu T，Zhang J et al. Science，2019，364(6445)：1079

[3] Jelic V，Adams S，Hassan M et al. Nature Photonics，2024，18(9)：898

[4] Wu X，Kong D，Hao S et al. Advanced Materials，2023，35(23)：2208947

[5] Koulouklidis A D，Gollner C，Shumakova V et al. Nat. Commun.，2020，11：292

[6] Shalaby M et al. Nat. Commun.，2015，6：5976

[7] Yang H，Qi J，Pan C et al. Optics Express，2017，25(13)：14766

[8] Knyazev B A，Kulipanov G N，Vinokurov N A. Measurement Science and Technology，2010，21(5)：054017

[9] Krasilnikov M，Aboulbanine Z，Adhikari G et al. Physical Review Accelerators and Beams，2025，28(3)：030701

[10] Gover A，Ianconescu R，F(xiàn)riedman A et al. Reviews of Modern Physics，2019，91(3)：035003

[11] Zhang K，Kang Y，Liu T et al. Applied Sciences，2021，11(24)：11850

[12] Liu B，F(xiàn)eng C，Gu D et al. Applied Sciences，2021，12(1)：176

[13] Kang Y，Li T，Wang Z et al. Nature Photonics，2025，https://doi.org/10.1038/s41566-025-01775-1

[14] Kang Y，Wang Z，Zhang K et al. Generating high-power，frequency tunable coherent THz pulse in an X-ray free-electron laser for THz pump and X-ray probe experiments. In：Photonics MDPI，2023，10(2)：133

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