可调强场太赫兹自由电子激光：物质微观结构探测与操控的利器

|作者：马湲1,2,3　康尹1　张开庆1,2,†　冯超1,2,††

(1 中国科学院上海高等研究院）

(2 中国科学院大学物理科学学院）

(3 中国科学院上海应用物理研究所)

本文选自《物理》2025年第12期

太赫兹(terahertz, THz) 波的频率范围通常在0.1—30 THz (波长3 mm至10 μm)之间，处于电子学与光子学的过渡区域。这一波段的光子能量(约0.4—124 meV)不仅覆盖了许多生物大分子的集体振动与转动能级，更与固体材料中诸如晶格振动(声子)、自旋波(磁振子)以及激子等基本准粒子的低能激发态高度重合[1，2]。因此，太赫兹波被视为探索凝聚态物理、材料科学及生物医学等前沿领域的重要探测手段。近年来，随着研究的深入，科学界已不再满足于仅利用弱太赫兹场进行线性光谱探测，而是迫切需求高强度的太赫兹脉冲跨越线性微扰的界限，诱导出一系列新奇的非线性物理现象，从而实现对量子材料宏观物性的相干操控(如光诱导超导、铁电性翻转等)[3]。

然而，要实现上述前沿科学目标，光源必须同时具备脉冲能量高以及频率大范围连续可调等关键特性。目前的太赫兹源技术在填补这一太赫兹间隙(THz gap)时面临着严峻的挑战，传统的实验室光源，如基于飞秒激光的光整流技术，虽然能够产生毫焦耳级的THz脉冲，但其受限于非线性晶体的相位匹配条件，难以实现宽范围的连续调谐[4，5]；而基于电子学的半导体器件或量子级联激光器虽然频率控制精准，但随着频率升高至THz以上，其输出功率急剧下降，难以达到驱动非线性物理所需的峰值场强[6，7]。长期以来，“高功率”与“频率大范围连续可调”这两个特性难以兼得，这严重制约了强场太赫兹的应用。

自由电子激光(free-electron laser，FEL)作为一种基于相对论电子束的新型强相干光源，凭借其工作频率不依赖于特定介质材料的优势，理论上可覆盖全频谱且具备高功率输出的潜力，被认为是解决上述瓶颈的有效方案。尽管如此，国际上现有的THz FEL运行模式在产生可调谐窄带强场THz方面仍存在显著局限。传统的谐振腔型FEL受限于光学谐振腔的物理尺寸及反射镜的带宽和损伤阈值，难以获得极高的峰值功率且调谐范围有限[8]；基于自放大自发辐射(SASE)模式的FEL虽然功率极高，但其起始于电子束的随机初始噪声，导致输出脉冲在时域和频域上存在固有的本征涨落，导致相干性的退化[9]；而基于超辐射机制的FEL虽然能产生相干辐射，但要求将高电荷量电子束的长度压缩至远短于辐射波长(即百飞秒量级)，这在低能加速器上不仅面临极大的空间电荷效应挑战，且辐射放大过程会过早受限于“滑移效应”(在每个向前运动的周期内，光波会超前于电子的现象)，导致能量转换效率受限，难以在5—30 THz的核心波段同时实现高增益与连续调谐[10]。如何在不牺牲束流品质的前提下，克服滑移效应并突破传统压缩机制的瓶颈，从而获得覆盖全太赫兹波段的高功率、窄带、连续可调相干辐射，是亟待解决的核心难题。

针对上述挑战，上海软X射线自由电子激光(SXFEL)团队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[11]。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。随后，团队依托我国重大科技基础设施——SXFEL装置[12]，首次验证了该方案的可行性，并实现了7—30 THz (波长约10—40 µm)连续可调的国际峰值亮度最高的太赫兹辐射[13]。

在这项工作中，我们首次实验验证了基于拍频激光调制电子束的高功率窄带THz辐射新机制：利用拍频激光精确调制电子束的周期性能量分布，随后通过加速器的相空间操控将能量调制转化为密度调制的太赫兹微聚束，最终在长周期扭摆器中实现相干辐射放大。实验结果表明，通过简单调整两个拍频激光器之间的光学延迟，实现了辐射频率的大范围连续调节。该项工作的显著优势在于：(1)频率调谐灵活，电子束微聚束团结构由两束线性啁啾激光通过光学拍频产生，而不是由加速器本身决定，因此仅需调整两束啁啾光之间的时间延迟

图1　上海软X射线自由电子激光装置布局。实验系统包括激光系统、直线加速器、太赫兹波荡器和太赫兹诊断平台

实验布局如图1所示。光阴极电子枪产生的400 pC电子束(14.3 ps，4.6 MeV)经加速段A1加速至115 MeV后进入激光加热系统。在激光加热器中，电子束被同步的拍频激光调制。该拍频激光通过光学外差技术产生，将太赫兹尺度的周期性结构投射在电子束的能量分布上。随后，电子束经A2加速至235 MeV并引入线性啁啾。依次经过磁压缩BC1、加速段A3和BC2后，束流被加速至650 MeV且压缩约10倍，初始的能量调制在此过程中转化为周期性的密度调制，如图2所示。最终，电子束在A4段加速至1 GeV并消除剩余啁啾，实验利用X波段偏转腔和能谱仪测量了束流末端的纵向相空间分布(图2)。

图2 电子束的纵向相空间分布和密度分布 (a)不加拍频激光调制时测量的相空间分布图；(b)—(f)通过将两束拍频激光之间的时间延迟从0.68 mm调至4.2 mm，实现了拍频频率分别为4 THz(b)、10 THz(c)、14.7 THz(d)、19 THz(e)和24 THz(f)的微聚束电子束。其中，橙色线条表示投影密度分布(密度图像的投影)

图3展示了SXFEL装置在7.8—30.8 THz的输出频谱。得益于微聚束基频谐波的放大机制，辐射光谱带宽(FWHM)保持在7.7%—14.7%。在24 THz优化频率处，最大单脉冲能量达到385 μJ，对应的峰值电场强度高达65 MV/cm，可用于开展强场物理研究。此外，该装置脉冲能量抖动仅为7.3%，表现出优异的稳定性。在可调性方面，SXFEL装置具有极高的灵活性，仅需调整拍频激光之间的时间延迟和THz波荡器的共振频率即可。

图3 7.8—30.8THz范围内SXFEL装置THz辐射的测量强度和光谱带宽

这项工作不仅验证了一种新型的THz FEL运行模式，更大幅拓展了SXFEL装置的频谱覆盖范围和支撑前沿科学用户的能力。值得注意的是，由于该实验装置利用已有X射线FEL平台实现THz产生，系统可充当X射线FEL的“后置THz辐射器”，使THz与X射线同源同步输出，使得未来开展THz泵浦—X射线探测实验成为可能[14]。展望未来，该技术将不断从实验验证走向工程化应用：一方面，若摆脱X射线FEL主参数的制约，通过增加太赫兹波荡器周期数并优化压缩因子，有望在低能紧凑加速器上实现，从而催生一类新型的“桌面级”连续可调强场太赫兹源；另一方面，通过灵活调整压缩因子和拍频激光参数，其频率覆盖范围有望延伸至涵盖亚太赫兹至中红外的整个区间(0.1—60 THz)。

综上所述，这项技术的突破填补了太赫兹领域的重要空白，预期将在强场THz科学、量子材料调控、非线性光学及超快光谱学等前沿领域获得重要应用。SXFEL团队的未来研究也会聚焦在更强脉冲能量和全光谱覆盖的强场太赫兹产生等技术提升上，争取提高可调强场太赫兹自由电子激光的全方位性能。

参考文献

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[2] Li X，Qiu T，Zhang J et al. Science，2019，364(6445)：1079

[3] Jelic V，Adams S，Hassan M et al. Nature Photonics，2024，18(9)：898

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[5] Koulouklidis A D，Gollner C，Shumakova V et al. Nat. Commun.，2020，11：292

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[12] Liu B，Feng C，Gu D et al. Applied Sciences，2021，12(1)：176

[13] Kang Y，Li T，Wang Z et al. Nature Photonics，2025，https://doi.org/10.1038/s41566-025-01775-1

[14] Kang Y，Wang Z，Zhang K et al. Generating high-power，frequency tunable coherent THz pulse in an X-ray free-electron laser for THz pump and X-ray probe experiments. In：Photonics MDPI，2023，10(2)：133

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