用于产生准单周期太赫兹辐射的弯曲平行板波导零滑移相干波荡器辐射关键技术研究

Within the last several years, the field of terahertz (THz) science and technology has changed dramatically. High power high repetition rate (high average) single-cycle terahertz pulses are an invaluable tool for engineering highly nonequilibrium states of matter. The coherent undulator radiation(CUR) based on ultra-short electron beam is one of the main techniques for obtaining high average power THz radiation, but its pulse length is not a single cycle. A new scheme is proposed to generate single cycle THz pulses, which uses a zero-slip mechanism based on a curved parallel plate waveguide (CPPWG) in the coherent undulator radiation. When the group velocity and phase velocity of THz pulse generated by the undulator are equal to those of the electron beam, there will be no slip between them, resulting in a single-cycle THz pulse. On the basis of theoretical analysis of CPPWG and CUR, the scheme of the zero-slip CUR will be established, a corresponding program be coded, and a preliminary experiment will be done. The research of this topic can not only greatly expand the application potential of the electron beam-based terahertz device, but also provide an ideal detection tool for future international biological, material and medical experimental research.

近年来，太赫兹（THz）辐射由于它的独特特性，受到了国内外广泛关注和大力发展，特别是高峰值功率高重复频率单周期（single cycle）的THz脉冲，是研究物质非平衡态的重要工具。相干波荡器辐射（CUR）是获得高功率THz辐射的主要技术手段之一，但它的脉冲长度不是单周期的。本课题提出了一种获得准单周期THz脉冲的方法，即基于弯曲平行板波导（CPPWG）的零滑移CUR机制，当CUR产生的THz脉冲的群速度与电子束纵向速度相等时，将产生准单周期THz脉冲。具体拟通过开展弯曲平行板波导和相干波荡器辐射的理论分析，建立零滑移机制，然后开展零滑移相干波荡器辐射中束波相互作用机理研究，并编写相应的程序进行数值模拟，最后在中国工程物理研究院的相干波荡器辐射平台上开展初步实验验证。本课题的研究不仅能拓展基于电子束的THz装置应用潜力，还将为未来国际前沿的生物、材料等实验研究提供理想的探测工具。

太赫兹（THz）是频率范围为0.1~10THz的电磁波，处在微波与红外光之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，具有非常独特的性质。但高性能太赫兹源是限制该领域发展的核心因素之一。相比于基于光学的THz源，基于相对论电子束的THz辐射源不仅具有高峰值功率的特点，同时还具有高重复频率、高亮度、准直性好、偏振性好、频率可调等优点，展现了巨大的应用潜力。其中，零滑移相干波荡器辐射技术利用特殊波导设计，使波导中传播的太赫兹波群速度与电子束的纵向平均速度相等，此时辐射场的包络被禁闭在电子束周围，将产生高功率准单周期的辐射，是获得高平均功率准单周期太赫兹辐射的首选途径。.项目组采用理论推导、仿真模拟和实验相结合的方法，深入分析了零滑移超辐射的物理机制，对基于波导的零滑移发生条件、波导的工作模式、波导的调节方式进行了全面分析，找到了基于CTFEL电子束的零滑移工作参数，并搭建了超辐射实验平台，开展了初步实验。.理论结果分析表明，零滑移共振时的频率为自由空间共振频率的一半，电子束能量增加时，零滑移发生的波导间隙变小。通过wgenesis程序模拟发现，波导间隙越小，共振波长越大，但超辐射的功率并不随波导间隙的减小而单调减小，存在最大的辐射功率；但辐射带宽是随波导间隙减小而单调增大的，对应于时域上辐射脉冲的长度变短。基于理论分析，本项目提出通过调节波导间隙的方式实现零滑移超辐射，并设计研制了一种间隙可调的弯曲平面平行波导。本项目基于CTFEL装置的电子束，设计并搭建一套超辐射平台，包括束流参数设计及测量、束波分离设计、太赫兹波传输以及频率和功率测量等，并完成超辐射的初步出光实验。.本项目建立了基于可调间隙弯曲平行波导的零滑移太赫兹源，该方法简便易操作，可产生高重频超短太赫兹脉冲，拓展了超辐射太赫兹源在科学领域的应用前景。