華中科技大學(xué)在共振太赫茲輻射研究方面取得新進(jìn)展

近日，《光學(xué)快訊》發(fā)表了華中科技大學(xué)電氣學(xué)院樊寬軍教授團(tuán)隊(duì)攜手日本大阪大學(xué)楊金峰教授團(tuán)隊(duì)的合作研究成果，即有關(guān)利用加載電介質(zhì)基底的光柵產(chǎn)生共振太赫茲（THz）輻射的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。他們利用兆電子伏特（MeV）超快電子束，成功激發(fā)了金屬光柵表面波中的共振模式，并將其輻射出去。這種輻射具有出色的方向性，其輻射強(qiáng)度更是遠(yuǎn)超同一光柵所產(chǎn)生的Smith-Purcell輻射。

此研究成果不僅為操控共振THz輻射提供了一條有效的途徑，還對(duì)推動(dòng)高功率、結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高的THz源技術(shù)發(fā)展具有重要意義。詳細(xì)的研究成果可參見論文《對(duì)借助電介質(zhì)基底從金屬光柵中逃逸出的表面太赫茲波的觀測(cè)》。電氣學(xué)院博士生漆鴻為論文的第一作者。

《光學(xué)快訊》是由美國光學(xué)學(xué)會(huì)出版的國際光學(xué)全電子期刊，以其快速出版周期和同行評(píng)審的高質(zhì)量文章，在物理-光學(xué)領(lǐng)域，尤其是太赫茲技術(shù)研究中占據(jù)重要地位，為全球科研工作者提供了展示創(chuàng)新成果的權(quán)威平臺(tái)。

太赫茲技術(shù)因其在通信、材料科學(xué)和生物成像等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力而受到重視，盡管傳統(tǒng)的Smith-Purcell輻射源具有緊湊和可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，但其相對(duì)較弱的輻射強(qiáng)度限制了其在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用。在電子束與周期性光柵的相互作用過程中，大部分能量轉(zhuǎn)化為表面波。由于表面波的相速度低于光速，往往被限制在光柵表面，難以實(shí)現(xiàn)有效的遠(yuǎn)距離傳播。為了解決這一難題，團(tuán)隊(duì)在光柵下方引入電介質(zhì)基底，通過改變光柵的色散特性，使得表面波中與電子束產(chǎn)生共振的模式在介質(zhì)中呈現(xiàn)出輻射波的特性。這種共振THz波的傳播方向固定，而Smith-Purcell輻射頻率則隨傳播角度而變化。在本實(shí)驗(yàn)所用的光柵上，共振THz輻射強(qiáng)度比Smith-Purcell輻射高出約31倍。這種方法在高功率太赫茲波的產(chǎn)生中具有極大的優(yōu)勢(shì)。

電子束通過復(fù)合光柵產(chǎn)生THz輻射

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

基于理論分析和三維數(shù)值模擬，本研究團(tuán)隊(duì)在大阪大學(xué)超快電子衍射平臺(tái)上開展了共振THz輻射的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用了S波段光陰極微波電子槍，經(jīng)由脈沖寬度約為100fs、脈沖能量為20mJ的紫外激光（266nm）照射后，可產(chǎn)生能量為1.6 - 3.1 MeV范圍內(nèi)可調(diào)的電子束團(tuán)。通過超快電子束與輻射光柵的相互作用，所產(chǎn)生的頻譜信號(hào)由邁克爾遜干涉儀精確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)成功觀察到了共振THz輻射的存在，證實(shí)了電介質(zhì)在促進(jìn)表面波向外傳播上起著關(guān)鍵作用。此外，實(shí)驗(yàn)還針對(duì)輻射角度、電子束-光柵距離、電子束能量、電荷量以及束團(tuán)長度等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，加深了對(duì)共振THz輻射特性的理解。本研究為開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、高轉(zhuǎn)換效率的THz源提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.525614