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中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置(CAEP THz FEL, CTFEL)是国内首台工作在高重复频率高占空比状态的太赫兹谐振腔型自由电子激光器[1-3]。装置采用砷化镓光阴极高压直流电子枪、射频超导加速器、平面永磁型波荡器和准共心光学谐振腔，于2016年底完成装置建设，2017年3月完成电子束流调试并首次观测到自发辐射，2017年8月29日16时首次观测到太赫兹饱和出光。
图1 CTFEL装置照片及各主要组成部分
高亮度电子束由波长532 nm的皮秒驱动激光从砷化镓光阴极表面激发，由高压直流电子枪发射，经过发射度补偿和微波聚束后，进入两段由2K超流氦冷却的4-cell TESLA型超导射频加速腔，获得6~8 MeV能量，再经过消色散段，最终进入波荡器产生太赫兹辐射。太赫兹辐射在光腔中谐振，并受激放大获得饱和输出。目前，电子束工作在宏脉冲模式，宏脉冲重复频率从1 Hz到20 Hz，宽度从200 ns到1 ms，电流从1 mA到5 mA连续可调，宏脉冲内微脉冲间隔约18.5 ns。装置的设计占空比从10-4到1可调，未来可工作在连续波模式。电子束发射度实测值为8.2 πmm?mrad，半高宽能散为0.22 %，纵向半高宽长度约为7.2 ps。
图2给出了CTFEL首次饱和出光的输出结果。图2(a)中的通道一为电子束宏脉冲波形，通道三为锗掺镓低温快响应探测器测得的太赫兹宏脉冲波形。经熔融石英窗口（衰减91%）输出后，采用太赫兹功率计测得宏脉冲内平均功率为0.52 W，由此计算出光腔出口宏脉冲平均功率大于5.7 W。调节上游腔镜，测得CTFEL的detuning曲线如图2(b)所示，detuning长度约110μm。采用太赫兹光栅光谱仪测量CTFEL首次出光的频谱如图2(c)所示，中心频率为2.56 THz，谱半高宽约1.9 %。可通过调节波荡器磁间隙和电子束能量连续调节输出的太赫兹波长。
图2 CTFEL装置首次饱和输出的太赫兹光性质
