清華新聞網(wǎng)4月23日電 4月17日，清華大學(xué)電子系黃翊東教授團(tuán)隊(duì)劉仿課題組與中國(guó)電子科技集團(tuán)第十二研究所合作，提出并實(shí)現(xiàn)了泵浦誘導(dǎo)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(xiàn)寬壓窄至0.3千赫茲，并實(shí)現(xiàn)了一種小型化自由電子太赫茲輻射源。該工作為實(shí)現(xiàn)自由電子輻射線(xiàn)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(chǎn)生提供了新途徑，并為研究自由電子束團(tuán)與微納結(jié)構(gòu)的相互作用搭建了重要平臺(tái)。
基于原子的受激輻射原理，激光器可以產(chǎn)生強(qiáng)相干性、極窄頻譜線(xiàn)寬的激光，在材料加工、高速通信、高靈敏度傳感等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。自由電子可以產(chǎn)生電磁輻射并與電磁波之間相互作用，進(jìn)而產(chǎn)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(dòng)能的波動(dòng)、庫(kù)侖排斥效應(yīng)以及有限的電子束團(tuán)數(shù)量等因素，自由電子受激輻射無(wú)法實(shí)現(xiàn)極窄的頻譜線(xiàn)寬。
史密斯-帕賽爾超輻射（Superradiant Smith-PurcellRadiation，S-SPR）是指周期群聚電子團(tuán)飛過(guò)光柵表面所產(chǎn)生的相干輻射，被認(rèn)為是產(chǎn)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(xiàn)寬與電子團(tuán)的數(shù)量成反比，通過(guò)足夠多數(shù)量的電子團(tuán)可以產(chǎn)生極窄頻譜線(xiàn)寬的自由電子相干輻射。但在已有報(bào)道中，受限于電子團(tuán)數(shù)量不足、電子能量波動(dòng)和庫(kù)倫排斥惡化電子團(tuán)等因素的影響，實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到S-SPR的頻譜線(xiàn)寬為幾十千赫茲至吉赫茲量級(jí)。此外，S-SPR的實(shí)現(xiàn)仍是基于大型的電子加速器或電子顯微鏡裝置，而無(wú)法在小型化器件中實(shí)現(xiàn)。
圖1.基于泵浦誘導(dǎo)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(tuán)隊(duì)提出了泵浦誘導(dǎo)的受激S-SPR（PIS-SPR）新機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)基于PIS-SPR的超窄頻譜線(xiàn)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(duì)直流電子束進(jìn)行預(yù)群聚；預(yù)群聚電子與光柵和F-P腔共同作用產(chǎn)生PIS-SPR，泵浦波頻率的電磁波功率被放大至百瓦以上，同時(shí)壓縮電子形成高度群聚的周期電子團(tuán)；最后利用小周期光柵提取電子團(tuán)周?chē)母唠A倍頻分量，產(chǎn)生高頻率、窄線(xiàn)寬相干太赫茲輻射。PIS-SPR效應(yīng)克服了電子團(tuán)數(shù)量有限、電子能量波動(dòng)和庫(kù)倫排斥惡化電子團(tuán)等因素的影響，因而可以獲得超窄頻譜線(xiàn)寬的自由電子輻射。
圖2.基于泵浦誘導(dǎo)的受激史密斯-帕塞爾超輻射（PIS-SPR）原理示意圖
實(shí)驗(yàn)制備出小型化PIS-SPR相干太赫茲輻射器件，器件包含電子預(yù)群聚、電子壓縮、相干輻射三個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)中觀(guān)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(xiàn)寬可在0.3千赫茲~900千赫茲范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，最窄頻譜線(xiàn)寬值相比已有實(shí)驗(yàn)報(bào)道壓縮了2至6個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。
圖3.受激史密斯-帕塞爾超輻射（PIS-SPR）的線(xiàn)寬和功率隨電子團(tuán)數(shù)變化的測(cè)試結(jié)果
該工作不僅為實(shí)現(xiàn)不同頻段、小型化、極窄線(xiàn)寬自由電子輻射源提供了新的機(jī)制，有望大大拓展自由電子輻射源在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景，同時(shí)提供了產(chǎn)生頻率鎖定、數(shù)量可調(diào)的周期自由電子團(tuán)的新方法，為深入研究周期電子團(tuán)與微納結(jié)構(gòu)的相互作用提供了平臺(tái)。此外，提出的受激增強(qiáng)效應(yīng)可以極大增強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)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(guān)研究成果以“超窄線(xiàn)寬泵浦激發(fā)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(fā)表于《光快訊》（eLight）。
清華大學(xué)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(guó)電子科技集團(tuán)第十二研究所研究員孟維思、潘攀、馮進(jìn)軍為論文的共同作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京量子信息前沿科學(xué)中心、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1186/s43593-025-00083-z
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
