清华大学电子系刘仿课题组实现极窄频谱线宽自由电子辐射源
2025/04/24
1494月17日，清华大学电子系黄翊东教授团队刘仿课题组与中国电子科技集团第十二研究所合作，提出并实现了泵浦诱导的受激史密斯-帕塞尔超辐射（Pump-induced Superradiant Smith-Purcellradiation, PIS-SPR），成功将自由电子辐射线宽压窄至0.3千赫兹，并实现了一种小型化自由电子太赫兹辐射源。该工作为实现自由电子辐射线宽的大幅压缩及小型化器件中史密斯-帕塞尔的高次谐波产生提供了新途径，并为研究自由电子束团与微纳结构的相互作用搭建了重要平台。
基于原子的受激辐射原理，激光器可以产生强相干性、极窄频谱线宽的激光，在材料加工、高速通信、高灵敏度传感等领域发挥着重要作用。自由电子可以产生电磁辐射并与电磁波之间相互作用，进而产生自由电子的受激辐射，例如受激史密斯-帕塞尔辐射、同步辐射等。然而，受限于自由电子动能的波动、库仑排斥效应以及有限的电子束团数量等因素，自由电子受激辐射无法实现极窄的频谱线宽。
史密斯-帕赛尔超辐射（Superradiant Smith-PurcellRadiation，S-SPR）是指周期群聚电子团飞过光栅表面所产生的相干辐射，被认为是产生自由电子激光的一种方式。虽然理论研究表明，S-SPR的辐射频谱线宽与电子团的数量成反比，通过足够多数量的电子团可以产生极窄频谱线宽的自由电子相干辐射。但在已有报道中，受限于电子团数量不足、电子能量波动和库伦排斥恶化电子团等因素的影响，实验观测到S-SPR的频谱线宽为几十千赫兹至吉赫兹量级。此外，S-SPR的实现仍是基于大型的电子加速器或电子显微镜装置，而无法在小型化器件中实现。
图1.基于泵浦诱导的受激史密斯-帕塞尔超辐射（PIS-SPR）器件示意图和照片
研究团队提出了泵浦诱导的受激S-SPR（PIS-SPR）新机制，并实现基于PIS-SPR的超窄频谱线宽小型化自由电子太赫兹辐射源。利用低功率、低频率泵浦波对直流电子束进行预群聚；预群聚电子与光栅和F-P腔共同作用产生PIS-SPR，泵浦波频率的电磁波功率被放大至百瓦以上，同时压缩电子形成高度群聚的周期电子团；最后利用小周期光栅提取电子团周围的高阶倍频分量，产生高频率、窄线宽相干太赫兹辐射。PIS-SPR效应克服了电子团数量有限、电子能量波动和库伦排斥恶化电子团等因素的影响，因而可以获得超窄频谱线宽的自由电子辐射。
图2.基于泵浦诱导的受激史密斯-帕塞尔超辐射（PIS-SPR）原理示意图
实验制备出小型化PIS-SPR相干太赫兹辐射器件，器件包含电子预群聚、电子压缩、相干辐射三个部分。实验中观察到三倍频~0.3太赫兹的相干辐射输出，且最大输出功率为46mW，辐射线宽可在0.3千赫兹~900千赫兹范围内连续调谐，最窄频谱线宽值相比已有实验报道压缩了2至6个数量级，同时器件尺寸仅为22cm×7cm×6.5cm、重1.68kg，比大型电子加速器、其他SPR辐射器件体积缩小1至4个数量级。
图3.受激史密斯-帕塞尔超辐射（PIS-SPR）的线宽和功率随电子团数变化的测试结果
该工作不仅为实现不同频段、小型化、极窄线宽自由电子辐射源提供了新的机制，有望大大拓展自由电子辐射源在不同领域的应用前景，同时提供了产生频率锁定、数量可调的周期自由电子团的新方法，为深入研究周期电子团与微纳结构的相互作用提供了平台。此外，提出的受激增强效应可以极大增强场强，为实现更高的电子加速梯度和加速器的小型化、集成化提供可能。
相关研究成果以“超窄线宽泵浦激发超辐射史密斯-帕塞尔辐射”（Pump-induced stimulated superradiant Smith-Purcell radiation with ultra-narrow linewidth）为题，于4月17日发表于《光快讯》（eLight）。
清华大学电子系林月钗博士、李津宇博士和刘仿教授为论文共同第一作者，刘仿教授、黄翊东教授为论文共同通讯作者。中国电子科技集团第十二研究所研究员孟维思、潘攀、冯进军为论文的共同作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京量子信息前沿科学中心、北京信息科学与技术国家研究中心等的支持。
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