【儀表網 研發快訊】4月17日，清華大學電子系黃翊東教授團隊劉仿課題組與中國電子科技集團第十二研究所合作，提出并實現了泵浦誘導的受激史密斯-帕塞爾超輻射(Pump-induced Superradiant Smith-Purcellradiation, PIS-SPR)，成功將自由電子輻射線寬壓窄至0.3千赫茲，并實現了一種小型化自由電子太赫茲輻射源。該工作為實現自由電子輻射線寬的大幅壓縮及小型化器件中史密斯-帕塞爾的高次諧波產生提供了新途徑，并為研究自由電子束團與微納結構的相互作用搭建了重要平臺。
 

　　基于原子的受激輻射原理，激光器可以產生強相干性、極窄頻譜線寬的激光，在材料加工、高速通信、高靈敏度傳感等領域發揮著重要作用。自由電子可以產生電磁輻射并與電磁波之間相互作用，進而產生自由電子的受激輻射，例如受激史密斯-帕塞爾輻射、同步輻射等。然而，受限于自由電子動能的波動、庫侖排斥效應以及有限的電子束團數量等因素，自由電子受激輻射無法實現極窄的頻譜線寬。
 

　　史密斯-帕賽爾超輻射(Superradiant Smith-PurcellRadiation，S-SPR)是指周期群聚電子團飛過光柵表面所產生的相干輻射，被認為是產生自由電子激光的一種方式。雖然理論研究表明，S-SPR的輻射頻譜線寬與電子團的數量成反比，通過足夠多數量的電子團可以產生極窄頻譜線寬的自由電子相干輻射。但在已有報道中，受限于電子團數量不足、電子能量波動和庫倫排斥惡化電子團等因素的影響，實驗觀測到S-SPR的頻譜線寬為幾十千赫茲至吉赫茲量級。此外，S-SPR的實現仍是基于大型的電子加速器或電子顯微鏡裝置，而無法在小型化器件中實現。
 

圖1.基于泵浦誘導的受激史密斯-帕塞爾超輻射(PIS-SPR)器件示意圖和照片
 

　　研究團隊提出了泵浦誘導的受激S-SPR(PIS-SPR)新機制，并實現基于PIS-SPR的超窄頻譜線寬小型化自由電子太赫茲輻射源。利用低功率、低頻率泵浦波對直流電子束進行預群聚；預群聚電子與光柵和F-P腔共同作用產生PIS-SPR，泵浦波頻率的電磁波功率被放大至百瓦以上，同時壓縮電子形成高度群聚的周期電子團；最后利用小周期光柵提取電子團周圍的高階倍頻分量，產生高頻率、窄線寬相干太赫茲輻射。PIS-SPR效應克服了電子團數量有限、電子能量波動和庫倫排斥惡化電子團等因素的影響，因而可以獲得超窄頻譜線寬的自由電子輻射。
 

圖2.基于泵浦誘導的受激史密斯-帕塞爾超輻射(PIS-SPR)原理示意圖
 

　　實驗制備出小型化PIS-SPR相干太赫茲輻射器件，器件包含電子預群聚、電子壓縮、相干輻射三個部分。實驗中觀察到三倍頻~0.3太赫茲的相干輻射輸出，且最大輸出功率為46mW，輻射線寬可在0.3千赫茲~900千赫茲范圍內連續調諧，最窄頻譜線寬值相比已有實驗報道壓縮了2至6個數量級，同時器件尺寸僅為22cm×7cm×6.5cm、重1.68kg，比大型電子加速器、其他SPR輻射器件體積縮小1至4個數量級。
 

　　圖3.受激史密斯-帕塞爾超輻射(PIS-SPR)的線寬和功率隨電子團數變化的測試結果

 

　　該工作不僅為實現不同頻段、小型化、極窄線寬自由電子輻射源提供了新的機制，有望大大拓展自由電子輻射源在不同領域的應用前景，同時提供了產生頻率鎖定、數量可調的周期自由電子團的新方法，為深入研究周期電子團與微納結構的相互作用提供了平臺。此外，提出的受激增強效應可以極大增強場強，為實現更高的電子加速梯度和加速器的小型化、集成化提供可能。
 

　　相關研究成果以“超窄線寬泵浦激發超輻射史密斯-帕塞爾輻射”(Pump-induced stimulated superradiant Smith-Purcell radiation with ultra-narrow linewidth)為題，于4月17日發表于《光快訊》(eLight)。
 

　　清華大學電子系林月釵博士、李津宇博士和劉仿教授為論文共同第一作者，劉仿教授、黃翊東教授為論文共同通訊作者。中國電子科技集團第十二研究所研究員孟維思、潘攀、馮進軍為論文的共同作者。研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京量子信息前沿科學中心、北京信息科學與技術國家研究中心等的支持。