[01505357]基于真空电子学的太赫兹辐射源

太赫兹（THz,1THz=10^12Hz）是指频率在0.1THz-10THz、波长3mm-0.03mm波段内的电磁波,以下简称THz。THz波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区,是电磁波谱中唯一尚待开发、急需全面探索的具有重大科学前沿意义和重大应用前景的新频段。 THz波具有量子能量低、带宽大、穿透性强等独特的电磁特性。自然界绝大多数物质的大分子振动和转动频率均位于THz波段,在THz波段表现出强烈的吸收和谐振,THz可提供关于物质的物理、化学及波谱特性、分子、量子互作用过程等重要信息,这为新材料、生命科学等学科基础研究提供了新的研究手段和方法;THz波具备传输海量数据的能力,为高速大容量的无线通讯提供了必要途径;THz波相对微波波长更短,发展的THz雷达成像精度、分辨率更高;THz波相对红外波长更长,穿透性更好,可实现非接触式安检成像;同时,THz波特殊频谱位置决定了单独采用宏观电子学和微观光子学的方法和理论都难以解决该频段存在的问题。 太赫兹科学技术是当今世界科技强国争先抢占发展的学术制高点。美国将太赫兹科学列为改变未来世界的十大科学技术之一;日本政府将太赫兹科学技术列为未来十年科技战略规划十项重大关键科学技术之首;欧盟在第五到七框架计划中启动了一系列跨国太赫兹科学技术研究计划,包括WANTED计划、THz-Bridge计划和DOTFIVE计划;韩国于2009年设立了为期十年的全国太赫兹科学技术发展计划,并联合10所高校新成立了太赫兹系统全球前沿中心（GLobaL Frontier Center for Terahertz Systems）。 太赫兹辐射源是目前制约太赫兹科学技术发展及其应用的瓶颈之一。传统的光子学与电子学方法都难以产生覆盖整个太赫兹频段的电磁辐射,所以形成了太赫兹空隙。我们提出了将光子学与电子注相结合的方法产生太赫兹辐射。原创性提出利用表面等离子体激元把电子学和光子学结合起来产生太赫兹辐射的新机理。破解了单纯利用电子学或光子学很难实现太赫兹辐射源的难题。同时,通过使用回旋电子注激励圆柱结构中的混合模式表面等离子体激元,利用回旋电子注与圆柱结构的天然周期性,使被激励的表面等离子体激元转换为相干可调的光或太赫兹辐射。这两项原创性的成果在国内外引起很大反响,Nature Physics在我们发表在PhysicaL Review Letters上的文章被接受但尚未公开发表之前已提前在其News ＆ Views专栏上刊出了专题评述文章,指出 该成果“揭示了一种全新的切伦科夫辐射现象,这是一个十分令人惊喜的成果,这种物理现象对于发展辐射源、探测器十分重要”。 在国际上首次提出了双电子注回旋管的概念并完成了原理性验证实验,双电子注回旋管在国际受控热核聚变（ITER计划）、雷达、通信等诸多领域有重要的应用前景。该辐射源还可实现双频工作,这是目前国际THz辐射源中还未存在的物理现象。 该成果被ITER计划欧洲代表M. Thumm教授评价为“原创性”成果,目前已被国内外学术界广泛认可。 成功研制出国内首支基于电子回旋受激辐射机理的,工作频率0.22THz,重复频率100Hz,脉冲输出功率40kW以上的太赫兹辐射源。研制出0.42THz,脉冲输出功率4.4kW的二次谐波太赫兹回旋管。 该成果已被德国每年公布的《电子回旋脉塞与自由电子激光研究进展报告》收录,获得国际同行的认可,综合技术指标达国际先进水平。 上述三方面的原创性成果,都有实验验证,有的甚至很快就能达到成果转化,促进生产的程度。