图 宽频域可调太赫兹电子束团串的实验原理图

在国家自然科学基金项目(批准号：11835004)资助下，清华大学颜立新课题组在太赫兹电子束研究领域取得进展，解决了1-10THz宽频域可调太赫兹电子束的产生这一难题，为新型高功率可调窄带太赫兹辐射光源的发展及应用提供了方案。研究成果以“可产生1-10THz高功率窄带太赫兹辐射的宽频域可调电子束团串(Widely tunable electron bunch trains for the generation of high-power narrowband 1-10 THz radiation)”为题，于2023年1月9日在线发表于《自然?光子学》(Nature Photonics)期刊。

基础科学和应用领域对于1-10THz频域的高功率可调太赫兹辐射有着重要需求，但一直缺乏有效的产生方案，因而被科学界称为“THz间隙”难题。现有加速器太赫兹辐射装置一般工作在低增益谐振腔模式，很难在单条束线上实现1-10THz连续可调。利用高流强的可调太赫兹电子束，可跨越电子束辐射的低增益阶段，直接产生高功率相干太赫兹辐射;如何产生该电子束是核心关键问题，但迄今为止，电子束的频率调节范围仍十分有限。

研究团队提出新方案(图)，通过控制电子束自身的空间电荷力，可在1-10THz宽频域内获得高聚束因子的可调电子束。方案中，通过驱动激光整形在加速器光阴极产生具有初始密度调制的电子束，结合非线性空间电荷振荡产生周期性电流尖峰;周期性电流尖峰的空间电荷力作用于电子束自身，产生准线性的能量调制，经色散转化为尖峰密度调制;调节加速管相位，给电子束施加不同的能量啁啾，经压缩改变微束团间距，实现电子束宽频域可调。

研究团队成功产生1-10THz连续可调的电子束团串，聚束因子达到0.35;模拟表明，利用1nC电荷量的该电子束经过3米的波荡器后，可在1-10THz产生百微焦量级连续可调的窄带THz辐射。

该研究工作提出了首个经实验验证的覆盖1-10THz频域的电子束产生方法，为有效解决“THz间隙”难题提供了紧凑型加速器光源方案。