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)，便被國際研究學者譽為“改變未來世界的十大技術之一”。
太赫茲輻射能夠有效克服其他波段在成像、醫(yī)療、通訊等應用領域存在的一些短板，具有現(xiàn)有技術無法替代的一些優(yōu)點。然而，目前太赫茲波的推廣應用尚存在不少瓶頸，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成的波蕩器中進行扭擺與調制，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界夢寐以求的奮斗目標。
近日，中國科學院上海光學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動金屬絲波導螺旋波蕩器新概念，與南開大學現(xiàn)代光學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?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，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引，沿金屬絲傳輸并進行周期性螺旋運動——相當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，轉換效率達到1%以上，如圖1所示。
圖1 飛秒強激光驅動金屬絲波導螺旋波蕩器產(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，放大倍數(shù)達到10倍以上。
該研究實現(xiàn)的這種全光驅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領域得到廣泛應用。
論文審稿專家認為“該論文描述了一種產(chǎn)生高能準單周期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（THz波）、電子束、波蕩器及自由電子激光等領域研究者的興趣”。
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