上海高等研究院在可调强场太赫兹自由电子激光研究中取得重大突破

波长连续可调的强场太赫兹(THz)辐射在量子材料、分子催化、生命科学、非线性光学、场致超导等前沿科学研究以及下一代通信、气象与环境监测、安全检测、雷达探测等关键技术领域具有重要应用价值。然而，目前国际上强场太赫兹辐射的产生主要集中在0.1–5 THz低频范围内，如何在5–30 THz频段实现连续可调且具高强度输出的太赫兹辐射，一直是该领域亟待解决的关键技术难题。

自由电子激光作为能够产生波长连续可调、高功率太赫兹辐射的先进光源，为解决这一难题提供了全新途径。特别是依托高增益X射线自由电子激光装置发展强场太赫兹源，有望推动“太赫兹泵浦—X射线探测”技术实现重要突破。然而，目前国际上仅有少数X射线自由电子激光装置能够产生连续可调的太赫兹辐射，且多采用束团压缩方案，存在频率调谐范围受限、辐射能量不足等问题，难以满足前沿科学实验和产业技术的更高需求。

图1 强场THz 辐射产生原理和布局图

为攻克5–30 THz波长连续可调强场太赫兹产生的国际难题，中国科学院上海高等研究院(以下简称“上海高研院”)自由电子激光团队自2021年起，发展了基于拍频激光操控电子束、利用束流集体效应增强微聚束，进而产生大范围连续可调强场太赫兹自由电子激光的新方案。同时，团队自主研制了双周期可切换的高场强电磁扭摆器，为后续实验验证提供了关键的理论支撑与技术保障。

依托我国光子大科学设施——上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)，研究团队近期首次成功验证了该方案的可行性，并实现了7-30 THz(波长约10–40微米)连续可调的国际峰值亮度最高的太赫兹辐射。该源的单脉冲能量高达400微焦，光谱带宽(FWHM)为7.7% 到14.7%，能量抖动(RMS)低于10%，脉冲长度可在300飞秒至3皮秒之间灵活调节，最高重复频率达50 Hz。若进一步结合超导连续波加速器技术，其重复频率有望提升至MHz量级。这一成果显著拓展了强场太赫兹辐射的性能边界，为前沿科学研究和关键产业应用奠定了坚实基础。

图2 实测强场太赫兹辐射脉冲能量、光斑(19 THz)和光谱

相关工作以“Continuous THz Band Coverage through Precise Electron Beam Tailoring in Free-electron Lasers”为题在线发表于Nature Photonics (自然·光子学)。论文的第一作者为上海高等研究院博士后康尹，共同第一作者为清华大学博士生李彤，通讯作者为上海高等研究院张开庆高级工程师、冯超研究员及赵振堂院士。

本研究得到国家自然科学基金、高研创新基金-培育项目及中国科学院稳定支持青年创新团队项目的资助。

审核编辑 黄宇