高平均功率太赫兹自由电子激光装置设计

为满足材料和生物医学等研究需要,中国工程物理研究院(中物院)提出了高平均功率太赫兹自由电子激光(THz FEL)用户装置研制项目。该装置采用准连续波运行的工作模式,太赫兹平均功率约为10 W。通过调节电子束能量和摇摆器的磁场强度,装置输出波长可在100μm(3 THz)~300μm(1 THz)进行调节,以满足不同用户的研究需要。装置主要包括电子源、主加速器、混合型摇摆器、激光谐振腔、太赫兹传输与探测系统等。装置将使用直流高压光阴极注入器作为电子源,主加速器为超导加速器,超导加速器后的电子束能量约8 MeV。该装置将建立成为一个用户装置。     

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。     

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。     

太赫兹Smith-Purcell自由电子激光研究进展

太赫兹电磁波在材料表征、医学成像、无线通信、安全检测等领域有广泛的应用前景,是当前科学研究热点之一。基于自由电子与周期性光栅结构相互作用产生的Smith-Purcell辐射的Smith-Purcell自由电子激光凭借其易加工、可调谐、高功率等优点成为发展高功率太赫兹源的有效途径之一。本文对太赫兹Smith-Purcell自由电子激光的近期研究进展进行了综述,对基于特异Smith-Purcell辐射新型Smith-Purcell自由电子激光以及基于预群聚电子注的Smith-Purcell太赫兹源进行了着重介绍,这两类新型太赫兹自由电子激光结构克服了传统自由电子激光的若干缺点,有望发展为具有重要应用前景的紧凑型、大功率太赫兹源。     

紧凑型自由电子激光太赫兹源研究进展

研制了一种具有两路微波馈入的新型热阴极微波电子枪和满足实验要求的主加速器增能段,介绍了该项目中的热阴极微波电子枪和主加速器的物理设计、数值模拟以及摇摆器测试结果等,并进行了初步热测实验。测得电子束能量约6.7 MeV,能散0.95%,归一化发射度13.5πmm.mrad。     

太赫兹自由电子激光器的成像原理及进展

主要介绍了几种自由电子激光器进行太赫兹成像的原理和方法,并给出了俄罗斯和韩国等研究人员最近一两年的实验结果。指出现在太赫兹成像正向三维成像的方向发展。     

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。     

新型Wiggler自由电子激光中的Madey定理

用单粒子方法推导出了Ｓｈｌｏｍｏ Ｐｉｎｈａｓ提出的一种新型摆动器－磁场与Ｚ轴无关的摆动器自由电子激光中的Ｍａｄｅｙ定理。结果表明：在这种摆动器自由电子激光中，Ｍａｄｅｙ定理第一部分形式不变；第二部分相差一个因子Ｍ０，它说明新型摆动器自由电子激光比普通摆动器自由电子激光有更高的能量转换效率。     

CO2激光抽运太赫兹成像研究新进展

为了研究基于CO2激光抽运的远红外激光源的太赫兹2维成像方法的各自特点和今后的发展方向,在介绍CO2激光抽运的远红外激光源的基本工作原理及美、英两国典型产品SIFlR-50FPL和FIRL100激光器的基础上,重点介绍了国内外近几年的主要成像研究成果,并对其成像特性进行了简要评述。最后总结出CO2激光抽运太赫兹成像研究的发展趋势是大力发展能远距离成3维像的太赫兹雷达、能实时成像的焦平面探测及实时图像处理和目标自动识别系统。     

基于等离子体镜的太赫兹单脉冲选择方法

研究了一种用于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)输出的太赫兹的单脉冲选择方法,以满足一些对太赫兹脉冲的时间分辨率和峰值强度提出较高要求同时要保证较低平均功率的实验的需要。利用自诱导等离子体开关技术,太赫兹能够被短脉冲激光打靶产生的等离子体镜反射,从而使等离子体镜可以作为门控开关,选出单个太赫兹微脉冲。通过理论分析计算出等离子体临界密度和激光功率密度阈值,采用辐射流体模拟软件对激光打靶过程进行数值模拟。模拟结果表明,激光激发出的等离子体密度远大于临界密度。由此证明了实验的可行性,进而给出实验所需装置的参数指标以及实验光路设计。     

欧洲自由电子激光研究进展

介绍了欧洲从事自由电子激光研究的几个重要实验室的概况和研究进展.简要分析了近期欧洲在发展短波长、高输出功率、高效率自由电子激光方面的相关计划和发展情况.     

太赫兹量子级联激光器

太赫兹技术近年来发展迅速,应用越来越广泛,是当前的热门研究领域。太赫兹量子级联激光器是产生太赫兹辐射的重要器件,对太赫兹量子级联激光器的发展,以及有源区和波导层的设计等进行了详细讨论。     

太赫兹量子阱探测器研究进展

太赫兹量子阱探测器具有皮秒级的响应时间和1 GHz以上的高速调制性能,是太赫兹快速成像和高速无线通信应用领域非常有前景的探测器.文章综述了太赫兹量子阱探测器的探测原理和设计方法、器件主要性能指标和基于该探测器的应用技术研究进展.研究表明,基于太赫兹量子阱探测器的快速成像系统可以获得物体的细节信息,有望用于安全检查和无损...     

1 550 nm激光激发的紧凑型太赫兹时域光谱仪

为开发紧凑、轻质量、高稳定度的光纤耦合太赫兹时域光谱仪(THz-TDS),从色散补偿、非线性效应、偏振效应、天线参数等方面对基于1 550 nm波长的光纤飞秒激光器激发的太赫兹时域光谱系统进行理论及实验研究。结果显示,光纤耦合的光谱仪光谱带宽可达4.5 THz,动态范围达70 dB,质量12.3 kg,光路模块体积250 mm×90 mm×50 mm。进一步测试机械振动及环境温度对仪器的影响,在一定范围内,仪器具有较高的鲁棒性,可适应工业产业应用需求。     

圆偏振周期量级红外激光脉冲驱动产生太赫兹辐射

研究了周期量级的圆偏振激光在空气中成丝产生太赫兹辐射的偏振特性。将中心波长1.8 m、脉宽8.6 fs 的圆偏振红外激光脉冲聚焦到空气中,形成等离子体细丝,产生太赫兹辐射。通过测量太赫兹辐射的偏振状态,和偏振方向与驱动激光载波-包络相位的关系,发展太赫兹波偏振控制的方法。实验结果表明,太赫兹辐射为椭圆偏振,而且偏振平面随着驱动激光载波-包络相位的变化而转动。这对太赫兹波的偏振控制有重要意义,并为周期量级激光载波-包络相位的测量提供了新方法。     

第46届国际红外毫米波与太赫兹会议综述：太赫兹辐射源的最新研究进展

太赫兹波段介于微波与红外之间,具有许多独特的优势,如对许多物质的穿透能力、较低的光子能量等。这使得太赫兹技术在生物医学、安全检测、通信等领域具有广泛的应用前景。太赫兹辐射源是太赫兹技术的核心组件,其发展水平直接决定了太赫兹技术在各个应用领域的性能和前景。第46届国际红外毫米波与太赫兹会议聚焦了太赫兹辐射源的最新研究成果,展示了在新型辐射源、集成技术及优化设计等方面的重要进展。本文根据近段时间红外毫米波与太赫兹相关国际关会议报告的内容,总结并展示了不同类型太赫兹辐射源最前沿的研究内容与方向。这些成果为太赫兹技术在各个应用领域的进一步发展奠定了坚实基础。     

生化药品的太赫兹光谱和红外光谱模拟

用高斯软件对光气、路易氏气、沙林等的红外光谱和太赫兹光谱进行了理论模拟.这三种生化药品红外光谱的模拟结果,说明用高斯软件进行生化药品的太赫兹光谱检测有重要意义,理论模拟的三种生化药品的太赫兹谱为今后用太赫兹辐射探测生化药品提供了重要的信息.