Le rayonnement térahertz (THz) à champ intense et à longueur d’onde continûment réglable a une valeur d’application importante dans les domaines de recherche scientifique de pointe tels que les matériaux quantiques, la catalyse moléculaire, les sciences de la vie, l’optique non linéaire, la supraconductivité induite par champ, ainsi que dans les technologies clés comme les communications de nouvelle génération, la surveillance météorologique et environnementale, la détection de sécurité et la détection radar. Cependant, la production actuelle de rayonnement térahertz à champ intense au niveau international se concentre principalement dans la plage basse fréquence de 0,1 à 5 THz. La réalisation d’un rayonnement térahertz continûment réglable et à haute intensité dans la bande 5 à 30 THz reste un défi technique clé à résoudre dans ce domaine.

Le laser à électrons libres, en tant que source de lumière avancée capable de produire un rayonnement térahertz à haute puissance et à longueur d’onde continûment réglable, offre une nouvelle voie pour résoudre ce problème. En particulier, le développement d’une source térahertz à champ intense basée sur un dispositif laser à électrons libres à rayons X à haut gain pourrait promouvoir une percée importante dans la technologie « pompe térahertz — sonde à rayons X ». Cependant, actuellement, seuls quelques dispositifs laser à électrons libres à rayons X au monde peuvent produire un rayonnement térahertz continûment réglable, et la plupart adoptent des schémas de compression de faisceau, avec des limitations dans la plage de réglage de fréquence et une énergie de rayonnement insuffisante, difficiles à satisfaire les besoins plus élevés des expériences scientifiques de pointe et des technologies industrielles.

Pour surmonter le défi international de la production de rayonnement térahertz à champ intense continûment réglable dans la plage 5 à 30 THz, l’équipe du laser à électrons libres de l’Institut de recherche avancée de Shanghai (ci-après « Shanghai High Research Institute ») de l’Académie chinoise des sciences 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 renforcer le micro-bunching, produisant ainsi un laser à électrons libres térahertz à champ intense continûment réglable sur une large plage. En même temps, l’équipe a développé de manière autonome un onduleur électromagnétique à double période commutable à champ élevé, fournissant un soutien théorique clé et une garantie technique pour les vérifications expérimentales ultérieures.

S’appuyant sur l’installation scientifique photonique majeure de la Chine — le dispositif laser à électrons libres à rayons X mous de Shanghai (SXFEL), l’équipe de recherche a récemment vérifié pour la première fois la faisabilité de ce schéma et réalisé un rayonnement térahertz continûment réglable de 7 à 30 THz (longueur d’onde d’environ 10 à 40 micromètres) avec la plus haute luminosité de crête internationale. L’énergie par impulsion unique de cette source atteint 400 microjoules, la largeur de bande spectrale (FWHM) est de 7,7 % à 14,7 %, la gigue d’énergie (RMS) est inférieure à 10 %, la longueur d’impulsion peut être réglée flexiblement entre 300 femtosecondes et 3 picosecondes, et la fréquence de répétition maximale atteint 50 Hz. En combinant davantage la technologie d’accélérateur à ondes continues supraconducteur, la fréquence de répétition pourrait être élevée à l’ordre du MHz. Ce résultat étend significativement les limites de performance du rayonnement térahertz à champ intense, jetant une base solide pour la recherche scientifique de pointe et les applications industrielles clés.