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中科院上海光机所:全光驱动“微型波荡器”,产生强太赫兹辐射

2017-04-26

在电磁波谱上,介于微波与红外之间的一个频段——太赫兹频段,一直以来都披着一层神秘的面纱。太赫兹波在公众间的曝光率远不如人们通讯用的无线电波,生活中用的微波,医疗中用的X射线,以及让眼睛分辨世界的可见光。但太赫兹辐射一经发现,便被国际研究学者誉为“改变未来世界的十大技术之一”。

太赫兹辐射能够有效克服其他波段在成像、医疗、通讯等应用领域存在的一些短板,具有现有技术无法替代的一些优点。然而,目前太赫兹波的推广应用尚存在不少瓶颈,其中之一便是难以获得强的太赫兹辐射源。目前,产生强太赫兹辐射最有效的方法是利用传统加速器中的高能电子束在周期性排布的磁铁构成的波荡器中进行扭摆与调制,产生高亮度的相干辐射。但传统的直线加速器和电子储存环装置体积大,造价昂贵,发展小型化新一代辐射源一直是科学界梦寐以求的奋斗目标。

近日,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室提出飞秒激光驱动金属丝波导螺旋波荡器新概念,与南开大学现代光学研究所合作开展实验,首次利用这一全新的波荡器方案实现了强THz辐射输出。该研究成果于近期发表在Nature Photonics [11, 242-246 (2017)]上。

实验中,利用一束亚太瓦级飞秒强激光辐照与头发丝直径相当的金属丝靶,通过激光等离子体的强相互作用产生定向的高能电子发射,由于电荷分离效应,在金属丝上瞬间产生一个极强的径向瞬态电场;沿金属丝方向发射的大量高能电子在径向电场的作用下被导引,沿金属丝传输并进行周期性螺旋运动——相当于电子束在一微型波荡器中的螺旋运动,同时获得了非线性放大的强THz辐射输出,转换效率达到1%以上,如图1所示。


图1 飞秒强激光驱动金属丝波导螺旋波荡器产生强太赫兹辐射

在该项工作中,电子束能量约100 keV, 波荡器周期约650 μm。研究人员通过改变金属丝的直径来改变径向电场的强度,从而改变波荡器周期,获得了频率可调谐的强太赫兹辐射;通过改变金属丝的长度,首次观测到了太赫兹辐射强度随传输距离的放大效应,放大倍数达到10倍以上。

该研究实现的这种全光驱动的微型波荡器是一种新型波荡器,电子束和波荡器都是由同一束激光同时产生,该波荡器有望进一步拓展,在强THz辐射、新型光源及自由电子激光等相关领域得到广泛应用。

论文审稿专家认为“该论文描述了一种产生高能准单周期THz脉冲的新方法”,同时指出“这一研究将会吸引包括激光器、电动力学(THz波)、电子束、波荡器及自由电子激光等领域研究者的兴趣”。

论文链接:http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.16.html