Терагерцевое излучение охватывает диапазон частот от приблизительно 0.1 до 10 ТГц, соответствующий длинам волн от миллиметрового до субмиллиметрового диапазона. Этот спектральный промежуток долгое время считался «терагерцевым разрывом», так как традиционные радиочастотные и оптические технологии не позволяли эффективно генерировать и регистрировать излучение в этом диапазоне. Развитие физики ускорителей позволило предложить и реализовать ряд новых механизмов получения терагерцевого излучения на основе взаимодействия релятивистских электронных пучков с различными структурами.
Терагерцевое переходное излучение возникает при пересечении электронным пучком границы раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью. Для пучков высокой яркости интенсивность излучения возрастает в случае когерентного сложения полей электронов, если размеры bunch-а сравнимы с длиной волны. Этот механизм активно используется в компактных источниках когерентного терагерцевого излучения на основе металлических фольг и специальных мишеней.
Черенковское излучение реализуется при движении электронов со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде. В диапазоне ТГц для этого применяют диэлектрические трубки или структуры с периодической модуляцией, в которых возбуждаются направленные моды. Такие устройства позволяют создавать направленные когерентные источники, что критически важно для прикладных применений в спектроскопии и медицинской диагностике.
Smith-Purcell излучение возникает, когда релятивистский электронный пучок пролетает над поверхностью периодической металлической структуры. В этом случае излучение генерируется за счёт дифракции электромагнитного поля пучка на решётке, и частота определяется углом наблюдения и периодом структуры. Терагерцевый диапазон оказывается естественным следствием применения решёток с периодами порядка миллиметра. Когерентное Smith-Purcell излучение позволяет получать высокую мощность и управлять спектральными характеристиками источника, изменяя геометрию и параметры пучка.
Лазеры на свободных электронах представляют собой наиболее универсальные источники излучения, охватывающие широкий диапазон — от микроволн до рентгенов. В терагерцевой области ЛСЭ работают на относительно низких энергиях пучка (десятки МэВ), используя длиннопериодные ондуляторы. Основное преимущество таких систем заключается в настраиваемости частоты излучения за счёт изменения энергии пучка или магнитного поля ондулятора.
Для когерентного режима в терагерцевой области применяется режим СASE (Coherent Amplified Spontaneous Emission), при котором короткие bunch-и возбуждают когерентное излучение. Возможность генерации мощных, когерентных, перестраиваемых импульсов делает ЛСЭ одним из главных инструментов будущей терагерцевой фотоники.
В последнее десятилетие активно развивается направление генерации терагерцевого излучения в плазменных структурах. Короткие релятивистские bunch-и, возбуждающие плазменные волны, излучают мощные терагерцевые импульсы за счёт нелинейных процессов и переходного излучения на границах плазмы. Это направление перспективно благодаря компактности и высокой плотности мощности.
Ленточные электронные пучки, движущиеся в диэлектрических волноводах, могут возбуждать направленные моды в терагерцевом диапазоне. Такие источники обладают высоким коэффициентом преобразования энергии пучка в излучение и используются в разработке компактных ускорительных технологий.
Синхротронное излучение традиционно охватывает широкий спектр от ИК до рентгена, однако в случае коротких bunch-ей проявляется когерентное излучение в терагерцевой области. В синхротронах и накопительных кольцах можно реализовать специальные режимы, при которых bunch-и сжимаются до субпикосекундных длительностей. В этом случае мощность излучения в терагерцевом диапазоне возрастает на несколько порядков. CSR активно используется на современных источниках третьего поколения и разрабатываемых компактных кольцах.
Терагерцевые источники, основанные на ускорительной технике, находят применение в спектроскопии высокотемпературных сверхпроводников, диагностике биологических тканей, неразрушающем контроле материалов и в области связи нового поколения. Особое значение имеют когерентные источники высокой мощности, обеспечивающие доступ к ранее недостижимым режимам взаимодействия излучения с веществом.