圖 寬頻域可調太赫茲電子束團串的實驗原理圖

在國家自然科學基金項目(批準號：11835004)資助下，清華大學顏立新課題組在太赫茲電子束研究領域取得進展，解決了1-10THz寬頻域可調太赫茲電子束的產生這一難題，為新型高功率可調窄帶太赫茲輻射光源的發展及應用提供了方案。研究成果以“可產生1-10THz高功率窄帶太赫茲輻射的寬頻域可調電子束團串(Widely tunable electron bunch trains for the generation of high-power narrowband 1-10 THz radiation)”為題，于2023年1月9日在線發表于《自然?光子學》(Nature Photonics)期刊。

基礎科學和應用領域對于1-10THz頻域的高功率可調太赫茲輻射有著重要需求，但一直缺乏有效的產生方案，因而被科學界稱為“THz間隙”難題。現有加速器太赫茲輻射裝置一般工作在低增益諧振腔模式，很難在單條束線上實現1-10THz連續可調。利用高流強的可調太赫茲電子束，可跨越電子束輻射的低增益階段，直接產生高功率相干太赫茲輻射;如何產生該電子束是核心關鍵問題，但迄今為止，電子束的頻率調節范圍仍十分有限。

研究團隊提出新方案(圖)，通過控制電子束自身的空間電荷力，可在1-10THz寬頻域內獲得高聚束因子的可調電子束。方案中，通過驅動激光整形在加速器光陰極產生具有初始密度調制的電子束，結合非線性空間電荷振蕩產生周期性電流尖峰;周期性電流尖峰的空間電荷力作用于電子束自身，產生準線性的能量調制，經色散轉化為尖峰密度調制;調節加速管相位，給電子束施加不同的能量啁啾，經壓縮改變微束團間距，實現電子束寬頻域可調。

研究團隊成功產生1-10THz連續可調的電子束團串，聚束因子達到0.35;模擬表明，利用1nC電荷量的該電子束經過3米的波蕩器后，可在1-10THz產生百微焦量級連續可調的窄帶THz輻射。

該研究工作提出了首個經實驗驗證的覆蓋1-10THz頻域的電子束產生方法，為有效解決“THz間隙”難題提供了緊湊型加速器光源方案。