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飛秒強激光驅(qū)動金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器產(chǎn)生強太赫茲輻射
星之球科技 來源:中國光學(xué)期刊網(wǎng)2017-04-27 我要評論(0 )
在電磁波譜上,介于微波與紅外之間的一個頻段——太赫茲頻段,一直以來都披著一層神秘的面紗。太赫茲波在公眾間的曝光率遠(yuǎn)不如人們通訊用的無線電波,生活中用的微波,...
在電磁波譜上,介于微波與紅外之間的一個頻段——太赫茲頻段,一直以來都披著一層神秘的面紗。太赫茲波在公眾間的曝光率遠(yuǎn)不如人們通訊用的無線電波,生活中用的微波,醫(yī)療中用的X射線,以及讓眼睛分辨世界的可見光。但太赫茲輻射一經(jīng)發(fā)現(xiàn),便被國際研究學(xué)者譽為“改變未來世界的十大技術(shù)之一”。
太赫茲輻射能夠有效克服其他波段在成像、醫(yī)療、通訊等應(yīng)用領(lǐng)域存在的一些短板,具有現(xiàn)有技術(shù)無法替代的一些優(yōu)點。然而,目前太赫茲波的推廣應(yīng)用尚存在不少瓶頸,其中之一便是難以獲得強的太赫茲輻射源。目前,產(chǎn)生強太赫茲輻射最有效的方法是利用傳統(tǒng)加速器中的高能電子束在周期性排布的磁鐵構(gòu)成的波蕩器中進行扭擺與調(diào)制,產(chǎn)生高亮度的相干輻射。但傳統(tǒng)的直線加速器和電子儲存環(huán)裝置體積大,造價昂貴,發(fā)展小型化新一代輻射源一直是科學(xué)界夢寐以求的奮斗目標(biāo)。
近日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室提出飛秒激光驅(qū)動金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器新概念,與南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所合作開展實驗,首次利用這一全新的波蕩器方案實現(xiàn)了強THz輻射輸出。該研究成果于近期發(fā)表在Nature Photonics [11, 242-246 (2017)]上。
實驗中,利用一束亞太瓦級飛秒強激光輻照與頭發(fā)絲直徑相當(dāng)?shù)慕饘俳z靶,通過激光等離子體的強相互作用產(chǎn)生定向的高能電子發(fā)射,由于電荷分離效應(yīng),在金屬絲上瞬間產(chǎn)生一個極強的徑向瞬態(tài)電場;沿金屬絲方向發(fā)射的大量高能電子在徑向電場的作用下被導(dǎo)引,沿金屬絲傳輸并進行周期性螺旋運動——相當(dāng)于電子束在一微型波蕩器中的螺旋運動,同時獲得了非線性放大的強THz輻射輸出,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1%以上,如圖1所示。
圖1 飛秒強激光驅(qū)動金屬絲波導(dǎo)螺旋波蕩器產(chǎn)生強太赫茲輻射
在該項工作中,電子束能量約100 keV, 波蕩器周期約650 μm。研究人員通過改變金屬絲的直徑來改變徑向電場的強度,從而改變波蕩器周期,獲得了頻率可調(diào)諧的強太赫茲輻射;通過改變金屬絲的長度,首次觀測到了太赫茲輻射強度隨傳輸距離的放大效應(yīng),放大倍數(shù)達(dá)到10倍以上。
該研究實現(xiàn)的這種全光驅(qū)動的微型波蕩器是一種新型波蕩器,電子束和波蕩器都是由同一束激光同時產(chǎn)生,該波蕩器有望進一步拓展,在強THz輻射、新型光源及自由電子激光等相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
論文審稿專家認(rèn)為“該論文描述了一種產(chǎn)生高能準(zhǔn)單周期THz脈沖的新方法”,同時指出“這一研究將會吸引包括激光器、電動力學(xué)(THz波)、電子束、波蕩器及自由電子激光等領(lǐng)域研究者的興趣”。
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