激光产生的太赫兹脉冲驱动相对论粒子束流加速（Nature Photonics）

粒子加速一直都是探索前沿物理的重要手段。近年来，随着激光技术的极大发展，激光驱动粒子加速逐渐崭露头角，相比传统加速机制的最大优势即激光加速有着极高的加速梯度，可以在短短几厘米的长度媲美传统加速器几公里的加速效果。

       太赫兹（THz）是一种频率在0.1-10 THz（波长为3000-30 μm）的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区。

       近日，英国兰卡斯特大学的Steven P. Jamison等人在Nature Photonics上发表的文章中介绍了如何使用激光产生的THz脉冲进行粒子加速。此机制不同于以往使用激光直接作为加速源，而是使用激光先产生太赫兹脉冲，再利用太赫兹脉冲进行粒子加速。常规射频技术需要克服电气击穿阈值，这极大限制了加速梯度，太赫兹脉冲在保持加速梯度的同时有望实现对粒子束流的能量-时间相空间的空前控制。

       将激光转换成THz波可以解决传统束流加速中存在的诸多困难。太赫兹脉冲内的电场有着1 GV/m量级的加速梯度，可以很好地加速粒子；激光产生的太赫兹辐射在毫米波领域，使得其他加速装置的制作更简单；最重要的是：这样的转换提供了与pC量级的亚皮秒电子束相匹配的皮秒脉冲长度。

图1 实验装置。图a显示了THz束通过聚四氟乙烯（PTFE）移相器板转换为准TEM01模式并聚焦到DLW中以与35 MeV电子束共线相互作用的示意图。图b和c是通过光电传感器探测到的通过相移器板的上半部和下半部传输的THz脉冲的时间（图b）和频谱（图c）曲线。

作者在Daresbury实验室的测试装置上进行了原理性验证，通过太赫兹场和入射电子束的相速度匹配把高达60 pC电量的电子束成功加速到35 MeV，这项工作直接验证了比例放大和多级加速的可行性，为未来高能量高电量的太赫兹驱动加速器奠定了基石。

图2 多周期能量调制。THz开启（图a）和THz关闭（图b）和相应的能量密度谱（图c）。图d是从图c中的THz-on和THz-off频谱之间的差异中提取的实测调制，优化模型表明THz驱动的峰值电子能量增益为8.8 keV。图e，调制电子束的纵向相空间计算。图f，测得的线性调频作为能量的函数，该线性调频是从100次连续THz发射得到的能量的函数，用模拟线性调频表示，独立于图d中的模拟调制。

同时，太赫兹驱动电子加速显现出了多周期能量调制的效果。从上图中可以看到没有太赫兹时电子能量密度横向分布没有明显结构（图a），而当存在太赫兹时（图b），电子横向分布存在明显周期性能量调制，c图和d图中的能谱结构也可以清晰反映出太赫兹的周期能量调制效果。

图3 相速度匹配。调制强度和调制周期之间的关系（根据从计算得出的DLW色散获得的支持模型）和调制周期（作为THz驱动频率的函数）进行测量。误差棒代表与100次单次测量的标准偏差。

太赫兹驱动频率对应的相对论相速度匹配，频率为0.4 THz时相位匹配最好，此时电子速度等于0.9999 c，可以达到最大相互作用（调制强度最大）。长脉宽窄带宽太赫兹脉冲的使用有效增加了相互作用时长。像传统的RF线性加速器一样，连同束流源和结构的多级化，可以有效扩展未来太赫兹驱动的加速器长度。

图4 子周期束流加速。图a，使用短时（2 ps，FWHM）、低能量扩散（21 keV，FWHM）电子束获得的，在THz关闭和THz开启时测得的单发电子能谱。由于定时抖动，相位顺序是从建模频谱中确定的。图b，在THz脉冲周期的整个2π范围内，在不连续的束注入阶段显示的建模电子能谱。图c和图d是在π注入相位下THz关闭（图c）和THz开启（图d）的电子束的纵向相空间分布模型。

与传统激光加速结构不同，太赫兹驱动的加速提供了只把电子束注入进半个太赫兹电场周期的潜力，也就是可以实现亚周期加速。

       本文展示了使用太赫兹驱动的线性加速器中的相对论电子束加速。窄带宽太赫兹脉冲被调谐到与矩阵绝缘介质衬底波导的相速度匹配的工作频率，与电子束共线相位匹配从而发生加速作用，对电子束流进行多周期能量调制，在2 ps的周期内能量增益高达10 keV。这些原理性验证的结果为亚皮秒粒子束的全束线性加速指明了道路，直接适用于能够保持粒子束质量的大规模、多级加速的设想，从而标志着未来由太赫兹驱动的高能量、高电荷量和高加速品质的相对论粒子束加速的关键里程碑 。