基于相对论电子束的太赫兹源

太赫兹辐射在基础科学和产业应用中具有重要的应用前景,但传统的电子学和光学方法难以在1～10 THz产生相干的高功率、窄带且连续可调的太赫兹辐射。基于相对论性超短电子束和预调制电子束序列的加速器太赫兹源将能在上述范围内产生可调的高能谱强度窄带太赫兹辐射。综述了清华大学加速器实验室近年来在基于相对论电子束的加速器太赫兹源方面的理论和实验进展,以及与加速器太赫兹源一起发展起来的太赫兹辐射测量、束流诊断和先进加速技术。     

基于频率梳的太赫兹频率精密测量方法研究

利用光纤飞秒激光器与光纤耦合型太赫兹光电导天线,构建了一套全光纤太赫兹频率梳系统。基于锁相技术实现了对频率梳重复频率信号的高稳定度锁定,在取样时间为100 s时锁定精度达到3.3×10-13,并获得了信噪比优于50 d B的太赫兹拍频信号。基于频率梳测试方法实现了太赫兹频率的高精度测量,测量不确定度为5×10~(-11)。     

太赫兹目标RCS缩比测量技术

论述了国外基于微波上倍频、激光下变频、THz时域光谱三种典型太赫兹波目标雷达散射截面(RCS)缩比测试系统的构成、技术特点和应用范围。采用固态器件、基于微波上倍频技术集成研制了宽带太赫兹低频端目标RCS测量系统,采用基于扫频的时域法RCS测量技术和小角度旋转目标雷达合成孔径（ISAR）成像方法对小目标进行了电磁散射特性测量,获取了目标RCS和二维散射成像信息。     

基于束流位置探测器的束团长度测量

分析了驱动电子束团的频域特性,研究了基于该特性进行长度测量的理论基础;使用三维模拟软件对束流位置探测器(BPM)进行建模,用模拟的方法对传输阻抗进行了数值计算;对不同长度的束团进行了测量和计算,并且分析了束团位置在真空管道中偏移对束团长度测量的影响。由测量结果可见,电子束团长度在10~100 ps(3~30 mm)时,测量误差均小于2%,满足中国工程物理研究院高平均功率自由电子激光太赫兹实验测量的使用要求。     

太赫兹量子器件光电测试技术与系统

光电测试技术是太赫兹辐射研究的重要基础技术。文章首先介绍两种太赫兹量子器件的工作原理和最新进展,随后主要介绍太赫兹量子器件在脉冲激光功率测量技术、快速调制与直接探测技术、激光偏振转换与测量以及光纤损耗测量技术及相关测试系统中的应用。最后总结基于太赫兹量子器件的光电测试技术的特点和优势,并对未来的发展进行展望。     

中物院太赫兹自由电子激光装置现状及升级计划

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置（CAEP THz FEL, CTFEL）是国内唯一运行的基于超导加速器的高平均功率自由电子激光太赫兹源,具有频率连续在线可调(0.1～4.2 THz)、高峰值功率(＞0.5 MW)、高平均功率(＞10 W)、高重频(54.17 MHz)、短脉冲(～ps)、窄线宽（～2%）、全相干和线性偏振等特点。自2017年出光以来,已稳定运行了四年多,并开展了诸多应用实验研究。为进一步满足用户需求,CTFEL计划升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置,电子束能量提升至最大50 MeV,频谱范围拓展至0.1～125 THz,同时,建设材料光谱和生物医学两个实验站。     

基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制

频谱可调制的太赫兹波具有广泛的应用价值。利用一台纯相位式的液晶空间光调制器对飞秒激光脉冲进行空间整形,通过改变飞秒激光脉冲的横向空间分布,实现太赫兹波频谱的调制。在实验中,利用光泵浦整流方式产生太赫兹波,并利用太赫兹时域光谱系统对太赫兹信号进行探测。通过GS算法在液晶空间光调制器上加载不同的相位图,获得了不同的飞秒激光脉冲横向空间分布。通过改变探测距离和飞秒脉冲的空间分布参数,实现了太赫兹波频谱的调制。还利用菲涅尔衍射算法对这一过程进行了理论模拟,理论模拟结果与实验结果吻合的较好,这充分说明了基于飞秒脉冲空间整形的太赫兹光谱调制技术的可行性。     

中国工程物理研究院FEL-THz束线从头至尾模拟设计(英文)

中国工程物理研究院正在开展自由电子激光太赫兹源(FEL-THz)的研究。介绍了中物院FEL-THz束线的设计,通过PARMELA和TRANSPORT等程序优化了束线参数,并通过IMPACT-T和ELEGANT程序核对了模拟结果。优化结果表明,电子束在摇摆器入口处能量7～8MeV、平均电流5mA、横向归一化发射度小于10mm·mrad,满足设计要求。     

0.14 THz过模表面波振荡器初步实验研究

为获得大功率太赫兹源,对基于表面波振荡器的相对论太赫兹源进行了初步的实验研究。为便于机械加工和实验装配,器件采用过模矩形波导慢波结构。利用理论分析和数值模拟得到的参数,在CKP1000加速器上进行了实验。功率测量采用辐射场功率密度积分方法,频率测量采用截止波导滤波法。在电子束压为320 kV、电子束流强度为2.1 kA、引导磁场为5 T条件下,实验获得频率0.136 THz以上、脉冲宽度为1.5 ns和辐射功率约2 MW的太赫兹信号输出。     

缩比模型的宽频时域太赫兹雷达散射截面(RCS)研究

本文首次以钛宝石飞秒激光振荡级为抽运源,搭建了国内首套宽频时域太赫兹雷达(带宽0.1—1.3 THz)并进行了基于标准球的系统校正验证.利用该雷达测量了太赫兹波段三种缩比模型的散射时域信号.通过改进后的后向投影算法对模型的轮廓外形进行了成像研究,验证了新型时域散射信号成像机理.太赫兹雷达更高的频率,宽谱的特征和高分辨率成像的能力有望用于隐形外形设计过程,成为新兴的太赫兹散射特征研究平台.     

太赫兹时域频谱信噪比分析与规范性研究

基于飞秒激光的太赫兹脉冲时域光谱技术,已经成为诸多科学领域研究中有效的新手段。文章分析了太赫兹时域系统频谱采集方式的特点,提出标准信噪比的概念,使不同的太赫兹时域频谱仪可以在同一标准下进行量化评价。在研究了信噪比特点的基础上,给出了太赫兹时域频谱信噪比的简单获取方法。并采用这种方法对几个著名太赫兹研究小组的时域频谱系统的信噪比进行了比对。该方法让使用者只须获取单次测量数据就能换算出系统的标准信噪比,给用户评价太赫兹时域频谱系统带来了极大便利。     

用于真空电子太赫兹器件的微型热阴极电子束源研究

太赫兹波辐射源是太赫兹(THz)波技术的关键.真空电子太赫兹器件在高频、大功率太赫兹源发展中较其他技术有明显的优势,微米尺度高电流密度微型电子束源则是研制真空电子太赫兹器件的核心之一.本文在研制低温、大电流纳米粒子氧化钪掺杂含钪扩散阴极(nanosized-scandia doped dispenser cathode)的基础上,采用发射抑制膜沉积与聚焦离子束(FIB)刻蚀技术,研制无需压缩直接提供高电流密度的微型电子束的电子源.所研究的电子束源直径400μm,在工作温度950fiC,提供空间电荷限制电流密度50 A/cm2时,已稳定工作1000 h以上,并且层流性良好.本文阐述了阴极制备工艺、电子发射特性、微米尺度电子束源的获得和特性,介绍了发射抑制膜的结构和抑制特性的评估.并探讨了镀膜和刻蚀对发射的影响机理.这一电子束源在常规毫米尺度电子源的基础上产生微米尺度的微区高电流密度的电子束,为真空电子太赫兹辐射源的研制提供了新的途径.     

小波变换在太赫兹时域光谱分析中的应用

随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时,样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在0.2～1.9太赫兹波段的光谱,并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考,利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理,消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响,实验结果证明了该方法的可行性,在此基础上,还对其中四种样品做了成像和识别,并得到了较好的结果。     

光纤型变角度太赫兹时域光谱测量系统研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种非常有效的相干光谱探测技术,被广泛应用于材料特性分析、爆炸物探测、医学诊断以及气体检测等众多领域。传统THz-TDS系统采用钛宝石飞秒激光器作为光源,体积大、成本高,限制了THz-TDS的大规模应用。光纤激光技术近年来发展迅速,光纤飞秒激光器近年来已实现商用,尤其是掺铒光纤飞秒激光器,具有成本低、体积小、稳定性好等优点。采用全光纤的设计方案, THz-TDS系统可设计的非常紧凑和灵活,同时由于飞秒激光在光纤中传输,大大提高了系统的抗环境干扰能力,在工业和现场测量方面具有巨大的应用潜力。但另一方面,由于色散展宽、偏振方向不匹配等效应的影响,会对THz-TDS系统的性能造成严重影响,需要在系统设计时充分考虑。本文设计研制了光纤型THz-TDS系统,对光学、电学和软件三个子系统分别进行了简要介绍。通过插入色散补偿光纤进行色散管理实现了飞秒脉冲宽度的控制,使得到达太赫兹光电导天线的飞秒脉冲宽度保持在50 fs左右,从而消除了因飞秒脉冲展宽导致的太赫兹时域脉冲展宽。通过对飞秒激光偏振态的精确控制,使泵浦激光和探测激光偏振方向与保偏光纤的快轴或慢轴保持平行,避免飞秒脉冲同时沿快慢轴传输导致到达太赫兹天线的时间存在先后,从而消除了太赫兹时域脉冲的分裂现象,获得了信噪比优于12 000的单脉冲太赫兹时域波形。采用变角度光路结构设计,实现了太赫兹透、反射光谱测量的便捷切换,以及变角度太赫兹光谱的测量,给THz-TDS系统的应用带来了很大的方便。     

利用康普顿散射实现太赫兹皮秒脉冲的分析

 研究了利用微波与电子束团的康普顿散射实现太赫兹的方法、光子产额和辐射功率。推导出了单个电子产生的太赫兹的光子产额和辐射功率表达式,也推导出了电子束团产生的太赫兹的光子总产额和辐射总功率表达式。结果发现：利用微波与电子束团发生康普顿垂直散射,可以产生太赫兹皮秒脉冲;单个电子产生的太赫兹光子产额与微波功率、微波波长成正比,与微波束截面积成反比;单个电子产生的太赫兹辐射功率与微波功率、电子Lorentz因子的平方成正比,与微波束截面积成反比;电子束团产生的太赫兹光子总产额与微波功率的平方、微波波长的平方成正比,与微波束截面积的平方成反比;电子束团产生的太赫兹辐射总功率与微波功率的平方、微波波长以及电子Lorentz因子的平方成正比,与微波束截面积的平方成反比。     

超大长宽比U型开口谐振器的太赫兹调控特性

近年来,金属亚波长结构由于在负折射材料方面存在巨大应用价值,及可作为太赫兹波段的光学限制器等器件应用,引起了研究者们的广泛关注。本文采用电子束曝光离子束刻蚀的方法在金膜上制备了亚波长的超大长宽比U型开口矩形谐振器阵列结构,利用时域有限差分方法(FDTD)和太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对U型阵列结构的太赫兹波透射光谱响应进行了测量和分析,讨论了透过率对结构几何参数的依赖特性和异常透射的物理机制。通过这种U型开口谐振器能够实现太赫兹波的强局域和场增强,可将太赫兹波局域在波长千分之一的尺寸上,从而实现了太赫兹的异常透射现象,这种超大长宽比的U型开口谐振器可在太赫兹探测、太赫兹成像及其他光学器件的设计上得以应用。     

高精度太赫兹探测器响应度定标系统

为了保障太赫兹探测器测试的准确度和可信度,对太赫兹探测器响应度定标溯源技术进行研究,针对常用太赫兹探测器黑体辐射测试技术存在对环境、设备要求高和搭建难度大等问题,以中国计量科学研究院的热电型太赫兹探测器作为计量标准,提出一种校准方案,设计搭建了一套太赫兹探测器响应度定标系统。为提高定标准确度,实验测试了定标光学系统的光束质量,并合理设置光阑孔径以满足定标要求。在0.1 THz频点处对2个响应度未知的场效应自混频太赫兹探测器进行响应度定标。结果表明,定标的相对扩展不确定度为6.80% (k=2),验证了定标系统的可行性,系统可实现太赫兹探测器功率响应度溯源到国家激光功率标准,保障太赫兹功率测量的准确可靠。     

基于自由电子激光的小型太赫兹源初步设计

介绍了基于自由电子激光的太赫兹源的研究情况,提出了一种小型自由电子激光太赫兹源设计方案.采用独立调谐双腔热阴极微波电子枪,不需要α-磁铁及其他束团压缩装置,能够达到所需的束流品质,达到减小系统尺寸的目的.加速结构采用对称输入耦合器和同轴吸收负载输出耦合器,减少加速器的横向尺寸.采用混合永磁型波荡器,孔耦合输出的稳定球面光学谐振腔.介绍了该方案的初步设计和仿真计算.     

基于自由电子激光的小型太赫兹源初步设计

介绍了基于自由电子激光的太赫兹源的研究情况, 提出了一种小型自由电子激光太赫兹源设计方案.     

皮秒扫描相机在加速器研究中的应用──监测电子束团的纵向分布

本文描述了一台基于皮秒扫描机机的电子束团纵向分布(电子束团长度)测试系统,报道了应用这套系统在中科院高能物理所北京自由电子激光装置(BFFL)S波段射频直线加速器、正负电子对撞机(BEPC)和中国原子能科学研究院L波段注入器(LBINJ)上开展的测量工作.