激光尾波场电子加速及新型辐射源（特邀）

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展,飞秒强激光为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件,使激光物质相互作用进入到一个极端非线性的强场超快新范畴,催生了大量新原理、新现象,推动了技术变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾波场加速原理是一种具有超高加速梯度的粒子加速新原理,该技术的加速梯度可达100 GV/m,相比于传统射频加速器提高了3个数量级以上,可在厘米量级的加速长度内获得GeV量级的高品质高能电子束,极大地降低了加速器的成本,为发展新一代粒子加速技术和新型超快辐射源提供了新机遇和新途径。从飞秒强激光驱动等离子体尾波场中的电子注入、能量啁啾控制和高品质电子束产生以及基于高品质电子束的betatron X射线辐射、高能伽马射线和小型化自由电子激光这几个方面介绍了激光等离子体尾波场电子加速的若干主要研究进展,并对未来进行了展望。     

在静磁场辅助下用强激光加速质子

1　引言传统的射频直线加速器由于其结构壁上的加热或破损 ,加速度梯度限于约 50 Me V/m。要将带电粒子加速至高能量 ,须将加速器做得很大 ,或开发可提供甚高加速度梯度的新加速方法。基于等离子体的高能粒子加速器具有超高激光驱动等离子体波加速度梯度 ,引起人们极大兴趣。这类装置不受介电破损限制 ,其电场梯度 (每米几十吉伏 )比传统射频直线加速器高几个数量级。早在 1 979年 ,Tajima和 Dawson即提出一些基于等离子体的激光驱动加速器 ,包括等离子体脉冲波加速器 ( PBWA)和激光尾迹场加速器( LWFA)。啁啾脉冲放大 ( CPA)技术的高…     

台式加速器取得进展

在英、美和法研究组分别独立取得突破后，基于等离子体的粒子加速器可较常规加速器所产生的高几千倍的加速梯度的前景，已由激光产生的等离子体演示。然而，只有在约1cm的距离上才有可能加速粒子，产生的光束质量较差，能散较大。三个物理研究组已发展出多种技术，包括等离子体中通道和气泡的形成，以产生仅百分之几的束能散。     

太赫兹射频器件与集成技术研究

无线通信、探测感知、安全检测、人工智能等民用和国防电子信息技术的不断快速发展与演进,对太赫兹(0.1～1 THz)技术提出了越来越迫切的应用需求。太赫兹波段具有丰富的频谱带宽资源,其宽带特性可以支撑未来6G高速率通信、新一代高分辨雷达系统性能的实现。同时,太赫兹通信和探测必须克服高频率、短波长所带来的高传播路径衰减、激增的无源器件与互连损耗以及有源器件功率生成和效率难题。本文将回顾太赫兹射频器件与集成技术的发展现状,阐述上海交通大学团队通过新型无源、有源器件与天线及其先进封装等技术方法,整体提升太赫兹前端系统性能的相关研究进展。     

太赫兹混频器技术研究进展

太赫兹混频器可通过本征信号与原信号混合，经频率变换，实现频谱探测、超分辨成像和天文信号高灵敏探测，在太赫兹频谱识别、太赫兹安检、射电天文探测等领域具有重要应用前景。本文首先介绍了太赫兹混频器的基本原理、分类、主流技术方案；其次针对太赫兹混频器超灵敏化、高频化、中频宽带化和小型化集成的应用需求，分析了国内外太赫兹混频器设计与制作技术的发展动态；最后归纳了太赫兹混频器的应用状况、技术挑战和可能的解决方案，以便阐明三类太赫兹混频器的技术特点和技术发展趋势。     

电子直线加速器加速系统制造技术的研究

本文基于工作实践了,分析了目前电子加速器加速系统在制造时的技术要求,并着重介绍了电子直线加速器加速系统中重要部件的制造技术,如加速管的制造技术、聚束管的制造技术以及耦合器的制造技术。希望有关人员加以借鉴和参考,从而对电子直线加速器加速系统制造技术进行更加深入的研究,从而探讨出更加完善的制造方案,推动整个电子直线加速器的应用进程。     

太赫兹技术在低轨星间通信中的应用与分析

高通量卫星技术是实现低轨星间高速通信与组网的重要技术手段,太赫兹通信技术作为实现星间高速大容量传输的一项关键技术,已成为当前国内外研究热点。在介绍了太赫兹通信技术国内外发展现状、分析了低轨星间太赫兹通信的技术需求和特点之后,给出了一种用于低轨卫星的太赫兹星间通信总体设计方案,并对集成化太赫兹射频前端、高增益太赫兹天线、高速调制解调等关键技术进行了分析与总结。最后归纳出太赫兹通信技术在国内低轨宽带卫星网络中发挥重要作用,也将为6G地面移动通信提供技术保障。     

PASER在混合气体激活介质中的理论计算(英文)

在受激辐射粒子加速(PASER)中,受激介质中处于激发态的电子跃迁到基态时辐射的光子能量直接以量子形式转移给从它旁边经过的电子、首先对单个电子柬团穿过受激介质时产生的电场进行了理论推导,并分别对受激的二氧化碳混合气体和受激氟化氩混合气体进行了计算、计算结果表明加速梯度可以达到1 GV/m,比现有的普通加速器(如盘和波导加速结构)加速梯度高两个数量级。此外,通过二维模型进一步分析了电子微柬团串穿过受激的混合气体介质获得的能量增益。结果表明电子束团串可显著吸收受激介质中的量子态能量,且吸收的能量与相互作用长度成正比、在相互作用长度等于0.5 m时对柬团参数和其它的量对能量交换的影响进行了分析、通过理论计算给出了电子获得最大能量增益时的优化参数、     

PASER 在混合气体激活介质中的理论计算

在受激辐射粒子加速中（PASER）, 受激介质中处于激发态的电子跃迁到基态时辐射的光子能量直接以量子形式转移给从它旁边经过的电子。本文首先对单个电子束团穿过受激介质时产生的电场进行了理论推导，并分别对受激的二氧化碳混合气体和受激氟化氩混合气体进行了计算。计算结果表明加速梯度可以达到1GV/m，比现有的普通的加速器加速梯度20~30MV/m高两个数量级。此外，通过二维模型进一步分析了电子微束团串穿过受激的混合气体介质获得的能量增益。结果表明电子束团串可以显著地吸收受激介质中的量子态能量，且吸收的能量与相互作用长度成正比。在相互作用长度等于0.5m时对束团参数和其它的量对能量交换的影响进行了分析。通过理论计算给出了电子获得最大能量增益时的优化参数。     

基于共振隧穿二极管的近程太赫兹通信技术

太赫兹通信技术是实现6G愿景的关键底层技术之一，针对应用场景选择不同技术路线定制收发系统将是其发展趋势。RTD太赫兹收发模块具有室温、高频率、高灵敏度、易集成等特点，成为太赫兹通信技术领域的新星。通过介绍RTD太赫兹源、探测器及通信系统的工作原理和现状，分析了目前面临的效率及灵敏度提升挑战，并从器件和电路层面探讨和展望了可能解决方案和技术方向，为推动RTD太赫兹通信实用化提出思考。     

新型光控砷化镓/侧边抛磨太赫兹光纤调制器

太赫兹调制器作为太赫兹技术应用的重要器件之一，在太赫兹通信、成像和传感等领域具有广泛应用前景。但是目前太赫兹调制器调制深度、工作带宽、稳定性等有待提升，这制约了太赫兹技术的进一步推广与发展。基于此，设计并制备了一种新型光控砷化镓/侧边抛磨太赫兹光纤（SPTF）调制器，将砷化镓转移到太赫兹光纤抛磨区，增强太赫兹波倏逝场与砷化镓相互作用。在外置808 nm激光器照射下实现对太赫兹波幅度调制，调制深度达到97.4%。实验结果表明，这种新型的光纤调制器具有较好的光控调制效果。同时，该器件体积小、集成度高，具有广泛应用的潜力。     

太瓦激光产生更快的电子加速

太瓦激光产生更快的电子加速最近在设计高峰值功率激光器和如何利用它们来加速电子的新概念方面所取得的技术进展将使加速器和高能光子源发生革命。打从１９８７年发展啁啾脉冲放大技术以来，高功率激光器的尺寸已经减小［１］。现在，台式激光器已能产生几十大瓦功率范围...     

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。     

基于硅介质光栅的片上太赫兹波源

随着太赫兹技术的快速发展，人们对太赫兹技术在通信、光谱学和传感方面的各种应用越来越感兴趣。太赫兹技术发展与应用的基础是高性能的太赫兹源，传统的太赫兹源体积大且需要高功率电源驱动，难以适应集成太赫兹技术的发展，迫切需要研发新机制的微型太赫兹源。本文研究了一种新型微型化自由电子太赫兹辐射器，基于自由电子与其在光栅介质波导结构中激励的太赫兹波的互作用，实现太赫兹波的激励。这项研究为开发高效的片上太赫兹辐射源和拓展先进太赫兹应用提供了新的选项。     

基于空间型调制器的太赫兹波快速成像技术

为解决主流太赫兹成像技术在成像速度、分辨力、清晰度以及制造成本等方面存在相互制约的问题,提出一种基于光控型空间调制器的太赫兹波快速成像技术。这一技术利用新型硅基太赫兹调制材料与数字微镜阵列器件(DMD)的集成,实现了基于单像素太赫兹探测器的快速成像,进一步分析了太赫兹波束分布特性和高斯背景对成像效果的影响,并提出了有效的优化方法。实验结果证实这种新型技术能够显著提高成像分辨力和清晰度。     

大功率速调管的技术现状和最新进展

大功率速调管是一种基于速度调制原理将电子注能量转换成微波能量的微波真空电子器件,它具有高功率、高效率、高增益和高稳定性等优点,是微波真空电子器件中脉冲功率和平均功率最高的器件。速调管自20世纪30年代发明以来,在粒子加速器、雷达和通信等微波电子系统,以及真空电子技术进步的推动下,已发展成功多种类型大功率速调管,其频率覆盖整个微波,并扩展到毫米波和太赫兹波段,最大脉冲功率达200MW,最大平均(连续波)功率达MW级。近年来,在高能粒子加速器、宽带雷达系统、毫米波和太赫兹波电子系统的推动下,大功率速调管取得了令人瞩目的进步,本文比较系统地介绍了大功率速调管的技术现状和在提高功率、提高效率、提高工作频率、展宽带宽等方面取得的最新进展。     

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。     

基于相干层析的太赫兹成像技术研究

介绍了一种结合光学相干层析技术和太赫兹技术的太赫兹三维成像技术——太赫兹相干层析成像技术。该技术利用宽频太赫兹的弱相干原理,可以实现对待测样品进行高精度的三维成像。实验结果表明太赫兹相干层析成像技术的纵向分辨能力高于100 μm。在纵向探测精度方面,该技术相对传统的方案有了较大的提高,在高精度太赫兹无损探测领域具有巨大的应用前景。     

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。     

半导体基全光太赫兹空间调制器研究进展

太赫兹（THz）技术在下一代移动通信技术、雷达成像技术、物质波谱识别、大气遥感和射电天文学等领域有着广泛的应用前景，其中，能够主动调控太赫兹波幅度、相位和频率等特性的调控器件已成为影响太赫兹技术实际应用的关键器件之一。空间光太赫兹调制器（STM）作为一种典型的空间型波前调控器件，在波束偏转、波束扫描、特殊波束赋形，甚至相控阵技术等方面有着重要的应用。总结、分析和归纳了近年来电控STM和光控STM的主要研究进展，重点介绍了实现技术更简单、工艺成本更低的半导体基全光STM。详细总结了这种全光STM的调制机制和计算模型，系统总结了基于全光STM实现的太赫兹功能器件以及在太赫兹成像技术中的最新研究进展，讨论了全光STM存在的局限，并针对改善调制效率、降低器件插入损耗、提高激光利用率等方面提出多种新型器件结构。最后，对全光STM未来的发展趋势进行了展望。