Les radiations térahertz (THz) à champ fort avec une longueur d’onde réglable en continu sont précieuses pour la recherche avancée dans les matériaux quantiques, la catalyse moléculaire, les sciences de la vie, l’optique non linéaire, la supraconductivité induite par champ, ainsi que pour des applications technologiques clés comme les communications de nouvelle génération, la météorologie, la surveillance environnementale, la détection de sécurité et le radar. Cependant, la production de radiations THz à champ fort est actuellement limitée à la gamme de fréquences basses (0,1–5 THz), et la réalisation de radiations THz réglables en continu dans la gamme 5–30 THz avec une intensité élevée reste un défi technique majeur.

Les lasers à électrons libres, capables de produire des radiations THz à haute puissance et réglables en continu, offrent une nouvelle voie pour résoudre ce problème. En particulier, le développement de sources THz à champ fort basées sur des installations de lasers à électrons libres en rayons X à haut gain pourrait permettre des avancées majeures dans la technologie « pompe THz – sonde rayons X ». Cependant, seules quelques installations de lasers à électrons libres en rayons X dans le monde peuvent produire des radiations THz réglables en continu, souvent via des schémas de compression de faisceaux, qui souffrent de limitations dans la plage de réglage de fréquence et d’une énergie de rayonnement insuffisante, ne répondant pas aux exigences des expériences scientifiques de pointe et des applications industrielles.

Pour surmonter ce défi dans la gamme 5–30 THz, l’équipe de recherche sur les lasers à électrons libres de l’Institut de recherche avancée de Shanghai (Shanghai Advanced Research Institute) a développé, depuis 2021, un nouveau schéma basé sur la manipulation du faisceau d’électrons par laser à battement, utilisant l’effet collectif du faisceau pour amplifier les micro-groupes, permettant ainsi la production de radiations THz à champ fort réglables en continu. L’équipe a également conçu de manière indépendante un oscillateur électromagnétique à haute intensité à double période commutable, fournissant un soutien théorique et technique essentiel pour les validations expérimentales.

Grâce à l’installation scientifique majeure de la Chine, le laser à électrons libres en rayons X mous de Shanghai (SXFEL), l’équipe a récemment validé pour la première fois la faisabilité de ce schéma, réalisant une radiation THz réglable en continu de 7 à 30 THz (longueur d’onde d’environ 10 à 40 micromètres) avec la plus haute brillance de pic au monde. Cette source atteint une énergie par impulsion allant jusqu’à 400 microjoules, une largeur de bande spectrale (FWHM) de 7,7 % à 14,7 %, une fluctuation d’énergie (RMS) inférieure à 10 %, et une durée d’impulsion ajustable entre 300 femtosecondes et 3 picosecondes, avec une fréquence de répétition maximale de 50 Hz. En combinant cette technologie avec un accélérateur à ondes continues supraconductrices, la fréquence de répétition pourrait atteindre l’ordre du MHz. Ces résultats élargissent considérablement les performances des radiations THz à champ fort, jetant une base solide pour la recherche scientifique de pointe et les applications industrielles clés.