近期中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所李儒新、田野和宋立偉團(tuán)隊(duì)在太赫茲波電子加速領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于上海光機(jī)所新一代超強(qiáng)超短脈沖激光綜合實(shí)驗(yàn)裝置，利用超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)絲波導(dǎo)產(chǎn)生毫焦耳級(jí)太赫茲表面波，并采用表面波進(jìn)行電子加速，解決了高能量太赫茲波產(chǎn)生以及自由空間太赫茲波至波導(dǎo)能量耦合效率低等難題。該項(xiàng)研究將太赫茲波的產(chǎn)生、傳輸及耦合集成到波導(dǎo)上，并在波導(dǎo)管中5mm距離實(shí)現(xiàn)了最高1．1 MeV的電子能量增益和210 MV／m的平均加速梯度，較當(dāng)前太赫茲波加速電子能量增益的世界紀(jì)錄提升了近一個(gè)量級(jí)，同時(shí)為全光學(xué)集成化電子加速器研究開辟了嶄新途徑。相關(guān)研究成果于2023年7月13日以“Megaelectronvolt electron acceleration driven by terahertz surface waves”為題發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊。

小型化集成化的電子加速器將極大地推動(dòng)其在前沿科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。利用太赫茲波驅(qū)動(dòng)電子加速作為近十年來發(fā)展的新興加速技術(shù)，能夠提供比傳統(tǒng)射頻加速更高的加速梯度，是實(shí)現(xiàn)小型化、低成本加速裝置的可靠途徑之一，有望將加速器的應(yīng)用推廣向包括小型實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院等在內(nèi)的更多應(yīng)用場(chǎng)景。

當(dāng)前發(fā)展的太赫茲電子加速基于自由空間的太赫茲源技術(shù)，太赫茲波產(chǎn)生后，經(jīng)收集、傳輸、偏振轉(zhuǎn)換，再聚焦至用于加速電子的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)上，為了盡可能提高波導(dǎo)內(nèi)部的太赫茲加速梯度，需要太赫茲源提供足夠的能量以彌補(bǔ)光路中散射、反射，以及模式轉(zhuǎn)換的能量損耗。常見的太赫茲源，例如基于光學(xué)晶體產(chǎn)生的太赫茲輻射通常需要經(jīng)過光學(xué)元件的收集及導(dǎo)引，并通過分段波片或相移片進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，不可避免地造成能量損失。相比自由空間的太赫茲輻射，束縛于介質(zhì)表面的光學(xué)表面波，如表面等離極化激元（surface plasmon polaritons， SPP），為太赫茲的導(dǎo)引與模式轉(zhuǎn)換提供了全新的思路。

研究團(tuán)隊(duì)近年來在小型化的激光加速電子源與輻射光源等領(lǐng)域長(zhǎng)期探索，并于近期發(fā)現(xiàn)了太赫茲表面等離極化激元相干放大機(jī)制（Nature 611， 55–60 （2022）），能夠?qū)崿F(xiàn)高功率表面等離極化激元相干輻射源。圍繞軸對(duì)稱金屬圓柱形波導(dǎo)上的太赫茲表面等離極化激元的索莫菲波屬性，以及對(duì)低色散基橫磁（TM）模式，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將此高功率的太赫茲表面等離極化激元直接與加速波導(dǎo)耦合，實(shí)現(xiàn)了85％的耦合效率，能有效將飛秒激光泵浦金屬圓柱波導(dǎo)產(chǎn)生的毫焦耳級(jí)太赫茲能量與電子束作用，并最終在5mm長(zhǎng)度上使電子獲得最高1．1 MeV的能量增益及210 MV／m的平均加速梯度，將當(dāng)前國際上太赫茲波驅(qū)動(dòng)的電子能量增益最好結(jié)果提升了近一個(gè)量級(jí)。

未來，研究團(tuán)隊(duì)將基于這一太赫茲表面波模式驅(qū)動(dòng)電子加速的全新方案進(jìn)一步發(fā)展集成化的全光學(xué)電子加速技術(shù)，并拓展其在小型輻射源及材料檢測(cè)等領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。

相關(guān)研究工作的合作團(tuán)隊(duì)包括北京航空航天大學(xué)與張江實(shí)驗(yàn)室等，該工作共同第一作者為上海光機(jī)所博士研究生余謝秋與特別研究助理曾雨珊，工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院先導(dǎo)B、基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃、中科院人才引進(jìn)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院青促會(huì)和上海市科技啟明星揚(yáng)帆計(jì)劃等支持。

圖1 太赫茲表面波驅(qū)動(dòng)電子加速實(shí)驗(yàn)示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大電子能量增益結(jié)果

圖3 自由空間（a）與金屬圓柱波導(dǎo)（b）太赫茲耦合狀態(tài)下，加速波導(dǎo)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比（c）