超强超短激光驱动小型化*电子激光研究获成果

上海3月1日电(记者黄欣)今天，记者从中国科学院上海光学与力学研究所获悉，该所强场激光物理国家重点实验室的徐志展、李如新、刘建生等人在超强激光和超短激光驱动的小型化*电子激光器新概念的研究方面取得了重大突破，提出并实施了一个微型瞬态波荡器方案。研究人员利用超强超短激光与金属线的相互作用产生高能电子束，并巧妙地利用电荷分离效应构建了一个微型瞬态电子波荡器。基于新的波荡器方案，获得了非线性放大的强太赫兹辐射输出。最新的研究结果发表在2月27日的《自然光子学》在线版上。

*电子激光器被称为第四代光源，它能提供从远红外到x光波段的高亮度相干辐射。它在物理、化学、材料科学、生命科学等领域具有前所未有的革命性应用价值。传统的*电子激光器基于射频加速器产生高能电子束，然后通过由周期性排列的磁体组成的波动器对电子束进行摆动和调制，最后辐射出高亮度的相干辐射。射频电子加速器和由周期性磁铁组成的电子波荡器都体积庞大，价格昂贵。开发新一代小型化、低成本的*电子激光器，包括台式电子加速器和波荡器，是科学界长期追求的主要目标。

上海光机所强场激光物理国家重点实验室在超强超短激光驱动的桌面高能电子加速器和波荡器的新原理和新概念研究方面进行了长期不懈的探索。继2016年超强超短激光驱动的激光尾流场电子加速实现创纪录的高亮度和高质量电子束后，该研究团队在超强超短激光驱动的微瞬态波动器新概念研究方面取得了重大突破。首次成功构建了全光金属线波导螺旋波荡器，实现了放大的强太赫兹辐射输出。在这项工作中，研究人员使用一束超强超短激光照射金属丝靶，通过激光和等离子体的相互作用产生定向高能电子发射。同时，基于电荷分离，在金属线上瞬时产生非常强的径向瞬态电场。该电场引导大量在导线方向附近发射的高能电子沿着导线行进，并执行周期性的螺旋运动——相当于电子束在微波荡器中的螺旋运动。该运动产生强太赫兹辐射，转换效率超过1%。实验中，电子束能量约为100 keV，瞬态波荡器周期约为650微米。通过改变金属丝的直径可以改变径向电场强度，从而改变波荡器的周期，获得频率可调的近单周期宽带太赫兹辐射。通过改变导线长度，首次观察到太赫兹辐射强度随传输距离的非线性放大效应，放大倍数达到10倍以上。这种强太赫兹辐射源有望在材料检测和研究中获得重要应用。在这项研究中，电子束和波荡器都是由同一束激光同时产生的。这种新的波荡器概念有望得到进一步发展，并将在短波长甚至X射线*电子激光领域得到重要应用。

该论文的评论者高度评价了这一成就，并指出“该论文描述了一种产生高能准单周期太赫兹脉冲的新方法。“这一概念令人惊叹……是产生太赫兹波的一种重要而有效的新方法。”本文不仅阐明了实验产生的太赫兹辐射光谱与金属丝直径的关系，而且阐明了太赫兹辐射的原因。...本文将引起包括激光、电动力学(太赫兹波)、电子束、波荡器和*电子激光等领域的研究者的兴趣。

据报道，在这项研究中，刘威葳和南开大学的其他人为太赫兹辐射测量提供了先进的测试仪器，并联合开展了相关的实验。