可調(diào)強場太赫茲自由電子激光：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)探測與操控的利器

|作者：馬湲1,2,3　康尹1　張開慶1,2,?　馮超1,2,??

(1 中國科學(xué)院上海高等研究院）

(2 中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院）

(3 中國科學(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3 mm至10 μm)之間，處于電子學(xué)與光子學(xué)的過渡區(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與轉(zhuǎn)動能級，更與固體材料中諸如晶格振動(聲子)、自旋波(磁振子)以及激子等基本準粒子的低能激發(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)域的重要探測手段。近年來，隨著研究的深入，科學(xué)界已不再滿足于僅利用弱太赫茲場進行線性光譜探測，而是迫切需求高強度的太赫茲脈沖跨越線性微擾的界限，誘導(dǎo)出一系列新奇的非線性物理現(xiàn)象，從而實現(xiàn)對量子材料宏觀物性的相干操控(如光誘導(dǎo)超導(dǎo)、鐵電性翻轉(zhuǎn)等)[3]。

然而，要實現(xiàn)上述前沿科學(xué)目標，光源必須同時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)在填補這一太赫茲間隙(THz gap)時面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的實驗室光源，如基于飛秒激光的光整流技術(shù)，雖然能夠產(chǎn)生毫焦耳級的THz脈沖，但其受限于非線性晶體的相位匹配條件，難以實現(xiàn)寬范圍的連續(xù)調(diào)諧[4，5]；而基于電子學(xué)的半導(dǎo)體器件或量子級聯(lián)激光器雖然頻率控制精準，但隨著頻率升高至THz以上，其輸出功率急劇下降，難以達到驅(qū)動非線性物理所需的峰值場強[6，7]。長期以來，“高功率”與“頻率大范圍連續(xù)可調(diào)”這兩個特性難以兼得，這嚴重制約了強場太赫茲的應(yīng)用。

自由電子激光(free-electron laser，F(xiàn)EL)作為一種基于相對論電子束的新型強相干光源，憑借其工作頻率不依賴于特定介質(zhì)材料的優(yōu)勢，理論上可覆蓋全頻譜且具備高功率輸出的潛力，被認為是解決上述瓶頸的有效方案。盡管如此，國際上現(xiàn)有的THz FEL運行模式在產(chǎn)生可調(diào)諧窄帶強場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初始噪聲，導(dǎo)致輸出脈沖在時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度壓縮至遠短于輻射波長(即百飛秒量級)，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)，且輻射放大過程會過早受限于“滑移效應(yīng)”(在每個向前運動的周期內(nèi)，光波會超前于電子的現(xiàn)象)，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率受限，難以在5—30 THz的核心波段同時實現(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。

針對上述挑戰(zhàn)，上海軟X射線自由電子激光(SXFEL)團隊發(fā)展了基于拍頻激光操控電子束、利用束流集體效應(yīng)增強微聚束，進而產(chǎn)生大范圍連續(xù)可調(diào)強場太赫茲自由電子激光的新方案[11]。同時，團隊自主研制了雙周期可切換的高場強電磁扭擺器，為后續(xù)實驗驗證提供了關(guān)鍵的理論支撐與技術(shù)保障。隨后，團隊依托我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——SXFEL裝置[12]，首次驗證了該方案的可行性，并實現(xiàn)了7—30 THz (波長約10—40 μm)連續(xù)可調(diào)的國際峰值亮度最高的太赫茲輻射[13]。

在這項工作中，我們首次實驗驗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，最終在長周期扭擺器中實現(xiàn)相干輻射放大。實驗結(jié)果表明，通過簡單調(diào)整兩個拍頻激光器之間的光學(xué)延遲，實現(xiàn)了輻射頻率的大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。該項工作的顯著優(yōu)勢在于：(1)頻率調(diào)諧靈活，電子束微聚束團結(jié)構(gòu)由兩束線性啁啾激光通過光學(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間延遲

圖1　上海軟X射線自由電子激光裝置布局。實驗系統(tǒng)包括激光系統(tǒng)、直線加速器、太赫茲波蕩器和太赫茲診斷平臺

實驗布局如圖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并引入線性啁啾。依次經(jīng)過磁壓縮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A4段加速至1 GeV并消除剩余啁啾，實驗利用X波段偏轉(zhuǎn)腔和能譜儀測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)制時測量的相空間分布圖；(b)—(f)通過將兩束拍頻激光之間的時間延遲從0.68 mm調(diào)至4.2 mm，實現(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，最大單脈沖能量達到385 μJ，對應(yīng)的峰值電場強度高達65 MV/cm，可用于開展強場物理研究。此外，該裝置脈沖能量抖動僅為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輻射的測量強度和光譜帶寬

這項工作不僅驗證了一種新型的THz FEL運行模式，更大幅拓展了SXFEL裝置的頻譜覆蓋范圍和支撐前沿科學(xué)用戶的能力。值得注意的是，由于該實驗裝置利用已有X射線FEL平臺實現(xiàn)THz產(chǎn)生，系統(tǒng)可充當(dāng)X射線FEL的“后置THz輻射器”，使THz與X射線同源同步輸出，使得未來開展THz泵浦—X射線探測實驗成為可能[14]。展望未來，該技術(shù)將不斷從實驗驗證走向工程化應(yīng)用：一方面，若擺脫X射線FEL主參數(shù)的制約，通過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現(xiàn)，從而催生一類新型的“桌面級”連續(xù)可調(diào)強場太赫茲源；另一方面，通過靈活調(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區(qū)間(0.1—60 THz)。

綜上所述，這項技術(shù)的突破填補了太赫茲領(lǐng)域的重要空白，預(yù)期將在強場THz科學(xué)、量子材料調(diào)控、非線性光學(xué)及超快光譜學(xué)等前沿領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。SXFEL團隊的未來研究也會聚焦在更強脈沖能量和全光譜覆蓋的強場太赫茲產(chǎn)生等技術(shù)提升上，爭取提高可調(diào)強場太赫茲自由電子激光的全方位性能。

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