高次谐波产生型太赫兹尾场辐射自由电子激光实验及机理研究

Terahertz (THz) radiation, which lies in the frequency gap between the infrared and microwaves，is finding use in an increasingly wide variety of applications: industrial application; homeland security; and fundamental research of numerous subjects. The wakefield free electron laser from a cylindrical dielectric loaded waveguide (DLW) structure can be used for generating high power THz radiation. However, it faces challenges for generating high frequency and high power THz radiation, which requires high power electron source for driving, small size DLW as radiation media, and extremely high strength magnetic field to confine and guide the electron beam. We propose a novel scheme to enhance the high modes gain of the DLW for generating high power THz radiation. By using the proposed method, the high power THz radiation can be obtained with a low current electron beam and a large DLW structure. In this project, experiment and mechanism research on this method will be carried out, theory and technology accumulation would be expected for its future application and promotion.

太赫兹波是指在电磁波谱中介于红外与微波之间的电磁波，其在产业应用、国土安全、众多学科的基础研究等方面都有着广泛的应用。基于介质加载波导的尾场辐射自由电子激光可产生高功率的太赫兹辐射，但其受限于对驱动电子束功率、横向聚焦、小尺寸波导等方面的技术限制，难以做到高频率及高功率。我们提出的高次谐波产生型太赫兹尾场辐射自由电子激光方法，可利用常规的低流强电子枪技术及大尺寸波导来产生高功率、高频率的太赫兹辐射。本项目将对该方法进行实验及机理研究，为其未来应用及推广进行理论及技术积累。

太赫兹波是指在电磁波谱中介于红外与微波之间的电磁波，其在众多学科的基础研究等方面都有着广泛的应用。本项目针对基于介质加载波导的太赫兹尾场辐射源、独特性能太赫兹同步辐射源、亚飞秒电子束的产生、以及应用于太赫兹相干辐射源的啁啾脉冲激光整形方法开展了机理研究、新原理探索以及部分实验验证工作。..在基于介质加载波导的太赫兹尾场辐射源方面，我们给出一种快速的数值计算方法；提出一种可用于产生高功率太赫兹辐射的径向分离型介质加载波导结构，其可大幅缩短尾场辐射脉冲长度，提升峰值功率；通过改进辐射介质的结构，从原理上解决了输出辐射光发散角较大，可收集辐射光的功率密度提升到原来的300多倍。..在基于加速器装置的太赫兹自由电子激光源研究中，提出一种可实现太赫兹辐射频率可调和啁啾控制的方案；提出两种超短强场太赫兹辐射的方案，可实现fs量级脉冲宽度辐射源的产生；提出两种产生太赫兹涡旋光的辐射方法，辐射光轨道角动量的量子数课实现连续调节；揭示了超短脉冲、宽谱太赫兹源在强聚焦过程中时空耦合效应对辐射光场的影响，分析研究并模拟验证了通过聚焦产生光电场强度超高1 GV/m的太赫兹强场脉冲的可行性。..在亚飞秒电子束的产生方面，我们提出一种在光阴极微波电子枪中产生单个亚飞秒电子脉冲或者间隔可调的亚飞秒电子脉冲串的方法；为提高亚飞秒脉冲中容纳电荷量，并降低电子束到达时间抖动，进一步提出一种新型的物理方法。..开展超快激光脉冲整形研究，提出一种可产生高群聚特性的预聚束电子脉冲的超短激光脉冲串的成型方法；以种双色、双脉冲的太赫兹源方法；一种产生频率啁啾（可调）的预聚束型激光脉冲串的方法，并进行了实验验证。..相关研究成果有望为材料科学、量子信息、生命科学等领域带来新的机遇。