这台大国重器,居然能产生神秘的太赫兹电磁波

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 王啊,电子科技大学博士研究生

  说起5G(第五代通信系统),可谓是近期全世界的热点话题,借助特朗普的“神助攻”,连英国老太太都好奇中国的5G究竟怎么了,以至于美国以整个国家的力量来全球封杀中国企业的5G。

  其实,拨开云雾,回归科学,5G不过是应用了更高频率电磁波的通信系统,从目前4G主要使用的1-3GHz频段整体提升到接近40GHz,信息社会发展的例行更新罢了,特朗普总统还是不要过度紧张。


  说到这里,你会不会好奇,电磁波的频率继续提升会步入哪些领域?更高频率的电磁波又究竟是如何产生的呢?今天我们就来一探究竟。

  (一)太赫兹波:尚未被完全认知和利用的电磁波频段


  (电磁波频谱图)

  随着19世纪末,麦克斯韦方程组的建立,电磁波的迷雾被彻底揭开,从低频段一步步迈向更高频率的研究,使人类社会相继迈入了电气时代、信息时代。

  行至21世纪初,人类研究的步伐已经走到了电磁波发展的一个全新领域,即太赫兹电磁波。那什么是太赫兹电磁波呢?其实就是频谱中的一个工作区域,一般是指在0.1THz(100GHz)到10THz。

  而根据电磁定理,电磁波频率和功率呈一个反比关系,即频率越高,功率也就越难提升。

  因此,未来能否大面积普及太赫兹电磁波的应用,关键就在于能否找到合适的功率放大源,通俗的来说就是找一种很亮的手电筒,而目前的手电筒水平只能发出很微弱的光,亮度还不足以在黑夜里看见没盖好的窨井盖。

  (二)太赫兹频段的“手电筒”有哪些用途?

  除了常见的通信、雷达、电子战等工业和军事应用外,太赫兹电磁波还有个最重要的用途就是成像。

  在太赫兹成像方面,除了安检这种宏观应用外,目前最热门的就是生物分子的微观成像。


  例如,以施一公、颜宁等为代表的生物分子团队,就需要用高频率高功率电磁波,来给蛋白质分子直接成像从而解析其结构式,太赫兹及以上频段电磁波的波长,非常适合于这种微小结构尺寸的观测。

  如果“手电筒”出光效果弱、昏暗不清、时灵时不灵、重复频率低,那就会直接影响科研观测的精度和进度。


  因此,为了提升太赫兹频段“手电筒”的性能(主要是亮度),各路人马都从不同的科学路径展开了广泛的研究。其中,利用自由电子产生太赫兹电磁波这一方法,在中国工程物理研究院开展了非常深入的研究,并取得了突出的成就。

  (三)太赫兹自由电子激光的基本原理


  与常规半导体类太赫兹辐射源不同,自由电子激光(Free Electron Laser ,FEL)是以在真空中电子束为工作介质。由于最终出光的微脉冲功率需达到兆瓦量级,因此工作的自由电子能量很高,其速度一般需达到相对论量级。这个环节一般需要很长的一段直线加速器来完成。


  整个物理过程的核心就在于,自由电子束如何激发出同步辐射电磁波(激光)。举个简单的比喻,就像洗衣机的甩干过程,通过高速旋转衣服,水珠自然就会在衣服圆周运动的切向方向被甩出来。

  这就非常像自由电子在做周期曲线运动时,“射”出来相干电磁波,只不过它更加精密和复杂,电子的曲线运动通过周期性横向磁场(扭摆器)产生,从而形成正弦状路径,电子因扭转运动发射电磁辐射。初始的电磁辐射是低能且不相干的,足够长的扭摆器阵列使得电磁辐射与电子束产生长时间作用,在自放大自发辐射模式下,电子沿运动方向群聚成为尺寸接近光波波长的周期性束团。在此过程中,束团将自身动能转化为太赫兹电磁波能量,不断增大电磁波振幅直到饱和输出,最终得到自由电子激光。


  那这种高大上的高能电磁波(激光)相较于其他技术路径有什么优势呢?

  (1)功率高

  传统固态激光器由于受到工作介质损伤阈值、散热、非线性效应等的限制,难以输出非常高的平均功率。而自由电子激光的工作环境为真空,不存在热效应积累的问题,其输出功率由电子束的功率所决定,理论上不存在绝对的上限。

  (2)光谱覆盖范围广且连续可调

  一般的固态激光器只能输出特定频率的激光,而由自由电子激光输出波长在理论上不受限制。通过调节电子束和扭摆器参数,可以实现从太赫兹到X射线的任意波段的输出。

  (3)光束质量好

  自由电子激光可输出光谱窄、相干性好的光束,脉冲宽度方便调节,可在皮秒到阿秒量级进行选择,脉宽占空比也可根据应用做出相应调节。

  (四)自由电子激光装置在国际上是什么情况?


  (全球主要自由电子激光装置分布情况)

  1977年,美国科学家Deacon等人成功实现了自由电子激光振荡器模式的运行,研制出世界第一台红外自由电子激光装置,在3.4微米上实现了7MW的峰值功率输出,至此,自由电子激光理论得到了充分的验证,引起了全世界科学界极大的兴趣,由此进入蓬勃发展阶段。

  目前美国LCLS、欧洲European XFEL、日本SACLA-XFEL以及瑞士SwissFEL、荷兰FELIX都是基于自发辐射原理的X射线自由电子激光装置。


  (荷兰拉德堡德大学(Radboud University) 的FELIX自由电子激光装置)


  (日本XFEL自由电子激光装置)

  2009年,美国阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、伯克利国家实验室和斯坦福直线加速器中心联合向美国能源部提交了关于“未来光源的科学与技术”的白皮书。将下一代同步辐射光源未来所应具备的特性归纳为:时间相干、脉冲短(飞秒量级,或更短)、极化方向可调包括线极化和圆极化)以及同时可供多个用户使用等。


  (美国LCLS自由电子激光装置布局)


  (LCLS自由电子激光直线加速器)

  作为世界上第一个成功在硬X射线(波长0.15nm)产生辐射并饱和的FEL装置Linac Coherent Light Source(LCLS)是由美国能源部投资建设,由斯坦福大学负责运行的新一代高亮度x射线光源。它使用斯坦福直线加速器的最后三分之一部分,采用自激振荡FEL的方案,通过调节电子束能量可以产生1.5纳米到1.5埃米(1埃米等于0.1纳米)的x射线电磁辐射。

  值得注意的是,其主要出光频率落在X射线范围,并不能产生太赫兹频段电磁波辐射。

  (五)如此大国重器,中国的进展如何?

  鉴于自由电子激光在长波长波段和短波长波段具有重要的应用前景和发展潜力,国内在FEL的研究上也取得了较快的进展.

  从上世纪80年代开始,上海光机所成功实现了拉曼型FEL出光,1年后,上海光学精密机械研究所与中国科技大学合作,在30MeV实验射频加速器上实现了10μm的波荡器自发辐射。1993年,北京高能物理研究所的BFEL成功实现了10μm的振荡器饱和功率输出,处于亚洲领先水平。


  (中物院高平均功率太赫兹自由电子激光)

  20世纪以来,在长波长波段,国内自由电子激光的发展取得了巨大的进步,逐渐向国际先进水平靠拢。

  2005年,中国工程物理研究院成功实现115μm振荡器FEL出光,并于2011年正式牵头启动太赫兹频段的高平均功率自由电子激光项目(简称CTFEL装置),于2016年底完成装置研制与总体集成。

  由于该装置采用谐振腔型自由电子激光技术路线,使用半导体光阴极直流高压电子枪和连续波超导直线加速器技术,系统复杂,技术难度大。经过一系列努力,最终于2017年9月,经专家组现场测试和第三方检测,CTFEL装置在1.99 THz 、2.41 THz和2.92 THz三个太赫兹频率点稳定运行,平均功率均大于10W,最高达到17.9W;微脉冲峰值功率均大于0.5MW,最高达到0.84MW,通过调节电子束能量和扭摆器磁场强度,可以实现输出频率连续可调,技术指标达到国际先进水平。

  这台大国重器一举成为了在役自由电子激光装置中的国内第一、世界第三台太赫兹高平均功率装置,它的成功稳定运行,标志着中国首台具有高重复频率、高占空比特性的太赫兹自由电子激光装置建成,中国太赫兹源正式进入自由电子激光时代。

  结语

  百年电磁波的发展,如今已枝繁叶茂,硕果累累,作为新秀,太赫兹自由电子激光拥有众多优点,使得其在通信、国防、能源、生物分子学、凝聚态物理等诸多方面有十分重要的应用,是探索微观世界的理想探针,能为多个学科开辟全新的研究领域。正如诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生所说:“自由电子激光对于21世纪的科学与工业的影响是无法估计的。”

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  编辑| 史文慧

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