中物院太赫兹自由电子激光:设计、运行及升级

中物院太赫兹自由电子激光(CTFEL)装置是我国第一台基于超导加速器的高重复频率、高平均功率太赫兹自由电子激光装置。CTFEL利用光阴极直流高压电子枪和超导加速器产生约8 MeV电子束在波荡器中产生自发太赫兹(THz)辐射,并在光腔中受激放大获得饱和输出。得益于在0.7~4.2 THz频谱范围内连续可调以及平均功率大于10 W的特性,CTFEL为材料动力学、太赫兹成像、太赫兹生物学等领域提供了独特的研究平台。自2018年开放成为用户装置以来,每年提供不少于1000 h的稳定出光。未来CTFEL将在现有基础上升级成为红外太赫兹自由电子激光装置,实现太赫兹频率全覆盖以及最大功率大于100 W的目标,力争成为世界先进的长波长自由电子激光装置。     

采用飞秒装置的高功率宽带太赫兹源

真空电子器件产生的THz辐射通常是基于环形或直线型的加速器装置。飞秒级的电子束团通过周期性的磁铁可产生高功率、宽带可调谐的相干太赫兹辐射。这种高功率的太赫兹源为太赫兹技术的应用研究提供了新的手段。介绍了一种基于飞秒直线加速器装置产生的相干太赫兹波荡器辐射源,它主要由S波段热阴极微波电子枪,磁铁和SLAC型加速管组成,该装置能够提供具有20~30 MeV能量、束团长度为100~300 fs的电子束团。波荡器采用的是Apple?鄄II型波荡器,通过调节波荡器两平行磁块的位置可以产生具有不同极化特性的太赫兹辐射。为了测量波荡器产生的相干THz辐射谱,采用改进型的迈克尔逊干涉仪来进行测量,给出了实验装置的介绍以及实验结果。     

太赫兹自由电子激光放大器研究

太赫兹自由电子激光(FEL)是获得高功率太赫兹辐射的重要途径,目前运行的太赫兹FEL装置基本上都采用振荡器结构,若采用FEL放大器模式,则可产生具有更高峰值功率的太赫兹辐射。本文以北京大学超导电子直线加速器的束流参数为基础,通过模拟分析确定了太赫兹FEL放大器对太赫兹种子源、电子束流及波荡器等的要求。模拟结果显示,太赫兹种子的峰值功率在10 W以上即可实现太赫兹FEL放大;在较易实现的参数条件下,可获得峰值功率数兆瓦的太赫兹辐射。     

太赫兹自由电子激光放大器研究

太赫兹自由电子激光(FEL)是获得高功率太赫兹辐射的重要途径,目前运行的太赫兹FEL装置基本上都采用振荡器结构,若采用FEL放大器模式,则可产生具有更高峰值功率的太赫兹辐射。本文以北京大学超导电子直线加速器的束流参数为基础,通过模拟分析确定了太赫兹FEL放大器对太赫兹种子源、电子束流及波荡器等的要求。模拟结果显示,太赫兹种子的峰值功率在10 W以上即可实现太赫兹FEL放大;在较易实现的参数条件下,可获得峰值功率数兆瓦的太赫兹辐射。     

基于直线感应加速器的非相干太赫兹源设计

太赫兹波的产生途径有很多,本文通过理论设计和数值计算模拟了利用强流直线感应加速器神龙一号来产生 THz波。神龙一号直线感应加速器能够产生最大能量~20 MeV、束流强度~2 kA、脉冲宽度~60 ns 的脉冲电子束,脉冲电子束以不同能量通过偏转半径不相同的偏转磁铁后可以辐射出具有连续频率的太赫兹波。模拟计算了不同能量下的电子束通过偏转半径分别为0.2 m、0.5 m和1 m的偏转磁铁后得到的太赫兹波频率与电子束能量、磁铁偏转半径等的关系,太赫兹波的频率范围可达0.1 THz~9 THz,最大瞬时辐射功率~0.5 W。最后根据神龙一号直线感应加速器漂移段布局,设计得到偏转半径为0.5 m的偏转磁铁结构以及模拟结果。     

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置总体设计

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置是一台用于材料、光谱、生物、医学等领域前沿研究的多功能用户装置,在实验室现有的太赫兹自由电子激光装置（CTFEL）基础上,拟新增两套2×9-cell超导加速单元和两台波荡器,将电子能量提升至最大50 MeV,输出频率覆盖范围拓展至0.1～125 THz,最大宏脉冲功率大于100 W。同时,采用跑道型束线设计,拟建设一台小型能量回收型直线加速器实验研究平台。本文主要介绍了中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置的总体设计、工作模式以及用户实验站布局。     

便携式太赫兹辐射器光泵浦源

为在太赫兹波段的遥感生物探测预警雷达系统、光电对抗、成像探测以及高速通信提供小型野外使用的军用全固态紧凑太赫兹辐射器,研制了一种小型便携式太赫兹辐射器的光泵浦源,采用了无热电制冷器(TEC)温度控制的二极管泵浦Nd:YAG固体激光,激光输出能量150 mJ,脉冲宽度最小6 ns,激光重频最大30 Hz,激光束散角最小约1 mrad。用这样的泵浦源进行光泵浦TPO-THz,产生的1.63 THz波的单脉冲能量为2.98 μJ,对应的THz波能量转换效率为1.92×10-5。     

太赫兹连续波DCN激光器的实验研究

介绍了运行在1.54THz(195μm)和1.58THz(190μm)的波导型辉光放电激励的大功率连续波DCN激光器的开发和研制工作.该激光器的谐振腔长3.4m,放电长度3m,谐振腔由耐热玻璃制成,直径54mm.谐振腔一端为平面反射镜,一端为金属栅网.工作气体为N2,CD4和He(或D2)的混合气体,在1.54THz的连续激光输出功率大于0.2W.实验中对放电电流、激光管温度、气压等参数进行了优化,研究了EH11模DCN激光在自由空间的传输特性.研究表明,利用新的N2,CD4和D2混合气体的太赫兹DCN激光器可以得到稳定连续的高功率放电.光束传输远场满足高斯分布(z>4m),对各种参数进行优化后,190μm和195μm窗口处输出EH11模功率分别为0.15W和0.16W,可以满足超导托卡马克连续运行的干涉测量的需要.     

基于半模基片集成波导的片上小型化太赫兹滤波器

为了满足片上太赫兹(THz)通信系统的需要,并验证硅锗双极-互补金属氧化物(SiGe BiCMOS)工艺应用于太赫兹无源器件的性能,设计了一款小型化带通滤波器。该滤波器通过在半模基片集成波导(HMSIW)上加载互补开口谐振环(CSRR)来实现小型化和滤波特性。采用商业电磁仿真软件对滤波器结构进行优化,滤波器的最终尺寸为800μm×360μm。仿真结果表明:滤波器中心频率为140 GHz,带宽为5%,最小插入损耗为2.6 dB。低插入损耗和小型化使得该滤波器适用于片上太赫兹通信系统。     

金属波导连续光泵气体太赫兹激光器

针对紧凑型光泵气体太赫兹激光器(OPTL)技术,设计并研制了全金属波导结构的气体太赫兹(THz)激光器原理样机.THz激光器工作介质为CH_3OH气体,最佳工作气压30 Pa,在波长9.69μm、连续功率44 W的9P(36)支CO_2激光泵浦下,实验测得在2.52 THz频点输出功率150 m W,光子转换效率为8.4%.研究THz激光输出功率与CH_3OH工作气压、泵浦光功率的关系、以及THz激光输出稳定性,并通过压电陶瓷对THz激光腔长进行精密调节,同时测量输出功率的变化情况,讨论了金属波导THz激光器的纵模特性.实验工作与结果为下一步紧凑型折叠波导腔全金属OPTL的研制提供了参考.