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上海光机所知识创新简报  

(第四一三期) 

201731 

上海光机所超强超短激光驱动的小型化自由电子激光新概念研究取得重大原创进展

   上海光机所强场激光物理国家重点实验室徐至展、李儒新、刘建胜等在超强超短激光驱动的小型化自由电子激光新概念研究方面取得重大原创进展,提出并实现了一种微型、瞬态的波荡器方案。研究人员利用超强超短激光与金属丝相互作用,在产生高能电子束的同时,巧妙地利用电荷分离效应构建了微型、瞬态的电子波荡器,并基于该全新波荡器方案获得了非线性放大的强THz辐射输出。这一最新研究成果2017227日在线发表于《自然》子刊《自然·光子学》(Nature Photonics)(2016年影响因子31.167) 

  自由电子激光被称为第四代光源,可以提供从远红外到X射线波段的高亮度相干辐射,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。传统的自由电子激光基于射频加速器产生高能电子束,再利用周期性排布的磁铁构成的波荡器对电子束进行扭摆与调制,最后辐射出高亮度相干辐射。无论是射频电子加速器或由周期性磁铁构成的电子波荡器都是体积庞大,造价昂贵。发展小型化、低成本的新一代自由电子激光,包括台式化的电子加速器和波荡器是科学界一直梦寐以求追逐的重大目标。 

  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台式化高能电子加速器和波荡器新原理、新概念研究方面进行了长期不懈的探索。继2016年在超强超短激光驱动的激光尾波场电子加速获得创纪录高亮度高品质电子束重大成果之后,该研究团队又在超强超短激光驱动的微型、瞬态的波荡器新概念研究方面取得重大原创突破,首次成功构建了全光驱动的金属丝波导螺旋波荡器并实现了放大的强THz辐射输出。在该项工作中,研究人员利用一束超强超短激光辐照金属丝靶,通过激光与等离子体相互作用产生定向的高能电子发射,同时基于电荷分离在金属丝上瞬间产生一个极强的径向瞬态电场;该电场导引沿金属丝方向附近发射的大量高能电子沿金属丝传输并进行周期性的螺旋运动相当于电子束在一微型波荡器中的螺旋运动。这种运动产生了强THz辐射,转换效率达到1%以上。实验中,电子束能量~100 keV, 瞬态波荡器周期约650微米;通过改变金属丝的直径可以改变径向电场强度,从而改变波荡器周期,获得了频率可调谐的近单周期宽带THz辐射;通过改变金属丝的长度,首次观测到了THz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THz辐射源有望在材料的探测研究方面获得重要的应用。该项研究中电子束和波荡器都是由同一束激光同时产生,这种波荡器新概念有望进一步拓展,在短波长甚至X射线自由电子激光等领域得到重要应用。 

  论文审稿人高度评价了这一成果,指出“该论文描述了一种产生高能准单周期THz脉冲的新方法。这一概念令人惊叹,是产生THz的一个重要并高效的新方法。”“该论文不仅阐明了实验产生的THz辐射谱与金属丝直径的依赖性,而且也阐明了THz辐射的起因。该文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”。   

  在本项研究中,南开大学刘伟伟等为THz辐射的测量提供了先进的测试仪器并合作开展了相关实验。 

  该项研究得到了国家自然科学基金、中科院先导B类专项等项目的支持。(强场激光物理国家重点实验室供稿)

    文章链接

 

飞秒强激光驱动的金属丝波导螺旋波荡器实现强THz辐射的系统示意图


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