近日，上海交通大學物理與天文學院張杰院士和向導教授領導的課題組利用飛秒激光在周期極化鈮酸鋰晶體中產生的多周期窄帶太赫茲源，結合兆伏特超快電子衍射裝置提供的超短電子束，證明了相對論電子在厘米長度距離的尺度上實現太赫茲驅動高品質級聯加速的可行性；實驗中保持了電子束的能散和能量穩定性，獲得接近100%的級聯耦合效率，實現了從“太赫茲加速”邁向“太赫茲加速器”的突破。該研究成果已發表于《物理評論快報》。
粒子加速器在科研、國防、工業、醫療等領域有著廣泛的應用；以科研為例，1939年以后的諾貝爾物理學獎1/3與加速器相關。然而，傳統射頻加速器的規模與造價成為進一步提高加速能量的瓶頸障礙，也限制了加速器的進一步廣泛應用。為降低加速器的規模和造價，過去幾十年里，等離子體加速、激光介質加速、太赫茲加速等先進加速概念與技術成為了加速器領域的重要研究方向。
張杰與向導課題組近年對強場太赫茲脈沖與相對論電子束的相互作用進行了系統研究，突破了太赫茲源、太赫茲結構精密制備、太赫茲場與電子束精密同步匹配等多項技術挑戰，取得了利用太赫茲波長作為基準精確測量電子束時間信息，太赫茲示波器，太赫茲驅動電子束脈寬壓縮等系列成果。
在這項研究中，研究人員利用尺寸比傳統射頻加速結構小100倍的直徑僅0.86毫米的介質波導，結合窄帶寬太赫茲源，實現了相對論電子束在介質波導中持續3厘米的穩定加速。通過改變電子束與太赫茲脈沖的延時，可精確觀察到作用距離和作用相位的改變所引起的電子束能量增益的變化，實驗結果與理論模擬具有很高的符合度。
在通過精確控制太赫茲的頻率分布以增加有效作用距離方面，實驗中僅用100 納焦的太赫茲能量便實現了15keV（千伏）的凈能量增益，太赫茲能量轉化為電子束能量增益的效率達到了1.5千伏每納焦，是目前實驗報道的最高效率，預示著利用毫焦級別的太赫茲脈沖可實現兆伏的能量增益。同時，超快電子衍射裝置提供的超短電子束，也為驗證太赫茲加速器的穩定級聯加速提供了可能。實驗中進一步利用兩個獨立的太赫茲源分別驅動電子束在兩段長度為3厘米的介質波導中實現了電子束的穩定級聯加速。
張杰表示，這項研究成果為將來更多級的級聯提供了實驗依據，是邁向基于先進加速機制的高能加速器的關鍵一步。
相關論文信息：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.074801
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