Skip to main content

Accelerator-Based THz Radiation Sources

  • Reference work entry
Synchrotron Light Sources and Free-Electron Lasers

Abstract

Radiation from the Terahertz (THz) (also called far-infrared) region of the electromagnetic spectrum is extensively used for many different purposes. This chapter gives an introduction to the generation mechanisms of THz radiation. The underlying physics processes will be discussed with emphasis on the properties of coherent radiation and the corresponding accelerator and detection techniques.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this chapter

Chapter
USD 29.95
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
eBook
USD 999.99
Price excludes VAT (USA)
  • Available as EPUB and PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Hardcover Book
USD 549.99
Price excludes VAT (USA)
  • Durable hardcover edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Institutional subscriptions

References

  • M. Abo-Bakr, et al., in Proceedings EPAC, Vienna, 2000, p. 720

    Google Scholar 

  • D. Arena, Y. Shen, T. Watanabe, C.C. Kao, J. Murphy, X.J. Wang, G. Carr, in Joint 32nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 2007 and the 2007 15th International Conference on Terahertz Electronics (IRMMW-THz), 2007, Cardiff, pp. 827–829

    Google Scholar 

  • V. Asgekar, G. Geloni, V. Kocharyan, N. Stojanovic, P. Michel, M. Gensch, Infrared Phys. Technol. 64(0), 26 (2014). doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.infrared.2014.01.009. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350449514000103

    Google Scholar 

  • S. Bielawski, C. Evain, T. Hara, M. Hosaka, M. Katoh, S. Kimura, A. Mochihashi, M. Shimada, C. Szwaj, T. Takahashi, Y. Takashima, Nat. Phys. 4(5), 390 (2008)

    Article  Google Scholar 

  • R.A. Bosch, Il Nuovo Cimento 20 D(4), 483 (1998)

    Google Scholar 

  • R. Bosch, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 431(1–2), 320 (1999). doi:10.1016/S0168-9002(99)00267-3, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900299002673

    Google Scholar 

  • E. Bründermann, H. Heinz-Wilhelm, M.F. Kimmitt, Terahertz Techniques. Springer Series in Optical Sciences (Springer, Berlin/Heidelberg, 2012)

    Google Scholar 

  • M. Brosi, M. Caselle, E. Hertle, A. Kopmann, A.S. Müller, P. Schönfeldt, M. Schwarz, J. Steinmann, M. Weber, in Proceedings of IPAC, Richmond, 2015, p. MOPHA042

    Google Scholar 

  • J.M. Byrd, M.C. Martin, F. Sannibale, CERN Courier 45(7), 39 (2005)

    Google Scholar 

  • J.M. Byrd, Z. Hao, M.C. Martin, D.S. Robin, F. Sannibale, R.W. Schoenlein, A.A. Zholents, M.S. Zolotorev, Phys. Rev. Lett. 96(16), 164801 (2006). doi:10.1103/PhysRevLett.96.164801

    Article  ADS  Google Scholar 

  • G.L. Carr, et al., in Proceedings PAC’99, New York, 1999

    Google Scholar 

  • S. Casalbuoni, B. Schmidt, P. Schmüser, V. Arsov, S. Wesch, Phys. Rev. ST Accel. Beams 12(3), 030705 (2009). doi:10.1103/PhysRevSTAB.12. 030705

    Article  ADS  Google Scholar 

  • M. Caselle, M. Balzer, S. Chilingaryan, M. Hofherr, V. Judin, A. Kopmann, N.J. Smale, P. Thoma, S. Wuensch, A.S. Müller, M. Siegel, M. Weber, J. Instrum. 9(01), C01024 (2014). http://stacks.iop.org/1748-0221/9/i=01/a=C01024

  • O. Chubar, P. Elleaume, in Proceedings of EPAC’98, Stockholm, 1998, p. 1177

    Google Scholar 

  • J.A. Clarke, The Science and Technology of Undulators and Wigglers (Oxford University Press, Oxford, 2004)

    Book  Google Scholar 

  • D.A.G. Deacon, L.R. Elias, J.M.J. Madey, G.J. Ramian, H.A. Schwettman, T.I. Smith, Phys. Rev. Lett. 38(16), 892 (1977). doi:10.1103/PhysRevLett. 38.892

    Article  ADS  Google Scholar 

  • G. Doucas, J.H. Mulvey, M. Omori, J. Walsh, M.F. Kimmitt, Phys. Rev. Lett. 69, 1761 (1992). doi:10.1103/PhysRevLett.69.1761

    Article  ADS  Google Scholar 

  • C. Evain et al., Europhys. Lett. 98, 40006 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • E. Forest, Beam Dynamics—A New Attitude and Framework (Harwood Academic Publisher, Amsterdam, 1998)

    MATH  Google Scholar 

  • I.M. Frank, Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Fiz. 6, 3 (1942)

    Google Scholar 

  • G. Geloni, V. Kocharyan, E. Saldin, E. Schneidmiller, M. Yurkov, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Accel. Spectrom. Detectors Assoc. Equip. 605(3), 409 (2009a). doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2009.03.240, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900209007372

    Google Scholar 

  • G. Geloni, V. Kocharyan, E. Saldin, E. Schneidmiller, M. Yurkov, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A: Accel. Spectrom. Detectors Assoc. Equip. 607(2), 470 (2009b). doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2009.04.039, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900209008912

    Google Scholar 

  • M. Gensch, et al., in Proceedings of IPAC 2014 (Dresden, Germany, 2014), p. TUZA02

    Google Scholar 

  • V.L. Ginzburg, Phys. Scr. 1982(T2A), 182 (1982). http://stacks.iop.org/1402-4896/1982/i=T2A/a=024

    Google Scholar 

  • N. Hiller et al., in Proceedings of IPAC 2013, Shanghai, 2013, p. MOPME014

    Google Scholar 

  • N. Hiller, et al., in Proceedings of IBIC, Monterey, 2014

    Google Scholar 

  • K. Holldack, T. Kachel, S. Khan, R. Mitzner, T. Quast, Phys. Rev. ST Accel. Beams 8(4), 040704 (2005). doi:10.1103/PhysRevSTAB.8.040704

    Article  ADS  Google Scholar 

  • ISO 20473:2007, ISO Geneva (2007)

    Google Scholar 

  • J.D. Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd edn. (Wiley, New York, 1999)

    MATH  Google Scholar 

  • V. Judin, S. Hillenbrand, N. Hiller, E. Huttel, M. Klein, S. Marsching, A.S. Müller, N.J. Smale, K. Sonnad, P. Tavares, in Proceedings of IPAC, Kyoto, 2010, pp. 2526–2528

    Google Scholar 

  • S. Khan, J. Mod. Optic. 55(21), 3469 (2008)

    Article  Google Scholar 

  • S. Khan, et al., Synchrotron Radiat. News 24(5), 18 (2011)

    Article  Google Scholar 

  • K.J. Kim, K.T. McDonald, G.V. Stupakov, M.S. Zolotorev, Phys. Rev. Lett. 84, 3210 (2000). doi:10.1103/PhysRevLett.84.3210, http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.84.3210

    Google Scholar 

  • R. Klein, G. Brandt, R. Fliegauf, A. Hoehl, R. Müller, R. Thornagel, G. Ulm, M. Abo-Bakr, J. Feikes, M.v. Hartrott, K. Holldack, G. Wüstefeld, Phys. Rev. ST Accel. Beams 11(11), 110701 (2008). doi:10.1103/PhysRevSTAB.11.110701

    Google Scholar 

  • G. Kube, H. Backe, H. Euteneuer, A. Grendel, F. Hagenbuck, H. Hartmann, K.H. Kaiser, W. Lauth, H. Schöpe, G. Wagner, T. Walcher, M. Kretzschmar, Phys. Rev. E 65(5), 056501 (2002). doi:10.1103/PhysRevE.65.056501

    Article  ADS  Google Scholar 

  • R. Lai, A.J. Sievers, Nucl. Instrum. Meth. A 397, 221 (1997)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • C. Mai, F.H. Bahnsen, M. Bolsinger, S. Hilbrich, M. Höner, M. Huck, S. Khan, A.M. auf der Heide, R. Molo, H. Rast, G. Shayeganrad, P. Ungelenk, H. Huck, M. Brosi, B. Kehrer, A.S. Müller, M.J. Nasse, P. Schönfeldt, P. Schütze, S. Walther, in Proceedings of IPAC, Richmond, 2015, p. MOPHA023

    Google Scholar 

  • Y.L. Mathis, B. Gasharova, D.A. Moss, in WIRMS, Rathen, 2005

    Google Scholar 

  • F. Miyahara, F. Hinode, M. Kawai, T. Muto, K. Nanbu, H. Oohara, Y. Tanaka, H. Hama, in Proceedings of IPAC, Kyoto, 2010, pp. 4509–4511

    Google Scholar 

  • P. Muggli, V. Yakimenko, M. Babzien, E. Kallos, K.P. Kusche, Phys. Rev. Lett. 101(5), 054801 (2008). doi:10.1103/PhysRevLett.101.054801

    Article  ADS  Google Scholar 

  • A.S. Müller, Reviews of Accelerator Science and Technology 3(1), 165 (2010). doi:10.1142/S1793626810000427, http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S1793626810000427

    Google Scholar 

  • A.S. Müller, I. Birkel, M. Fitterer, S. Hillenbrand, N. Hiller, A. Hofmann, E. Huttel, K. Il’in, V. Judin, M. Klein, S. Marsching, Y.L. Mathis, P. Rieger, M. Siegel, N.J. Smale, K. Sonnad, P. Tavares, A.D. Semenov, H.W. Hübers, in Proceedings of IPAC, Kyoto, 2010, pp. 2529–2531

    Google Scholar 

  • A.S. Müller, et al., in ICFA Beam Dynamics Newsletter No. 57, 2012, pp. 154–165

    Google Scholar 

  • J. Murphy, S. Krinsky, R. Gluckstern, Part. Accel. 57, 9 (1997)

    Google Scholar 

  • M.J. Nasse, M. Schuh, S. Naknaimueang, M. Schwarz, A. Plech, Y.L. Mathis, R. Rossmanith, P. Wesolowski, E. Huttel, M. Schmelling, A.S. Müller, Rev. Sci. Instrum. 84(2), 022705 (2013). doi:http://dx.doi.org/10.1063/1.4790431, http://scitation.aip.org/content/aip/journal/rsi/84/2/10.1063/1.4790431

    Google Scholar 

  • A. Nause, E. Dyunin, R. Ianconescu, A. Gover, J. Opt. Soc. Am. B 31(10), 2438 (2014). doi:10.1364/JOSAB.31.002438. http://josab.osa.org/abstract.cfm?URI=josab-31-10-2438

    Google Scholar 

  • C. Prokop, P. Piot, M.C. Lin, P. Stoltz, Appl. Phys. Lett. 96(15), 151502 (2010). doi:10.1063/1.3386543

    Article  ADS  Google Scholar 

  • J. Raasch, A. Kuzmin, P. Thoma, K. Il’in, M. Arndt, S. Wuensch, M. Siegel, J. Steinmann, A.S. Müller, E. Roussel, C. Evain, C. Szwaj, S. Bielawski, T. Konomi, S.I. Kimura, M. Katoh, M. Hosaka, N. Yamamoto, H. Zen, K. Iida, B. Holzapfel, IEEE Trans. Appl. Supercond. 25(3), 2300106 (2015)

    Article  Google Scholar 

  • P. Rieger, Y.L. Mathis, B. Gasharova, D. Moss, Vibrational Spectroscopy 75(0), 196 (2014). doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.vibspec.2014.06.005, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924203114001040

    Google Scholar 

  • M. Ries, J. Feikes, P. Schmid, G. Wüstefeld, in Proceedings of IPAC, San Sebastian, 2011, pp. 945–947

    Google Scholar 

  • D.S. Robin, et al., in Proceedings of EPAC 2008, Genoa, 2008, p. WEPC049

    Google Scholar 

  • E. Roussel, C. Evain, C. Szwaj, S. Bielawski, Phys. Rev. ST Accel. Beams 17, 010701 (2014a). doi:10.1103/PhysRevSTAB.17.010701, http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevSTAB.17.010701

  • E. Roussel, C. Evain, C. Szwaj, S. Bielawski, J. Raasch, P. Thoma, A. Scheuring, M. Hofherr, K. Ilin, S. Wünsch, M. Siegel, M. Hosaka, N. Yamamoto, Y. Takashima, H. Zen, T. Konomi, M. Adachi, S. Kimura, M. Katoh, Phys. Rev. Lett. 113, 094801 (2014b). doi:10.1103/PhysRevLett.113.094801. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.113.094801

  • E. Roussel, C. Evain, M.L. Parquier, C. Szwaj, S. Bielawski, L. Manceron, J.B. Brubach, M.A. Tordeux, J.P. Ricaud, L. Cassinari, M. Labat, M.E. Couprie, P. Roy, arXiv:1410.7048, 2014c

    Google Scholar 

  • E. Roussel, C. Evain, M. Le Parquier, C. Szwaj, S. Bielawski, L. Manceron, J.B. Brubach, M.A. Tordeux, J.P. Ricaud, L. Cassinari, M. Labat, M.E. Couprie, P. Roy, in Proceedings of SPIE, Advances in X-ray Free-Electron Lasers Instrumentation III, vol. 9512, 2015, p. 95120U

    Google Scholar 

  • M. Schwarz, P. Basler, M. v. Borstel, A.S. Müller, Phys. Rev. ST Accel. Beams 17, 050701 (2014). doi:10.1103/PhysRevSTAB.17.050701, http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevSTAB.17.050701

  • S.V. Shchelkunov, T.C. Marshall, J.L. Hirshfield, M.A. LaPointe, Phys. Rev. ST Accel. Beams 8(6), 062801 (2005). doi:10.1103/PhysRevSTAB.8.062801

    Article  ADS  Google Scholar 

  • Y. Shibata, S. Hasebe, K. Ishi, S. Ono, M. Ikezawa, T. Nakazato, M. Oyamada, S. Urasawa, T. Takahashi, T.and Matsuyama, K. Kobayashi, Y. Fujita, Phys. Rev. E 57(1), 1061 (1998). doi:10.1103/PhysRevE.57.1061

    Google Scholar 

  • M. Shimada, M. Katoh, S. Kimura, A. Mochihashi, M. Hosaka, Y. Takashima, T. Hara, T. Takahashi, Jpn. J. Appl. Phys. 46(12), 7939 (2007). doi:10.1143/JJAP.46.7939, http://jjap.ipap.jp/link?JJAP/46/7939/

    Google Scholar 

  • A.G. Shkvarunets, R. Fiorito, F. Müller, V. Schlott, in Proceedings of DIPAC, Venice, 2007, p. WEPC21

    Google Scholar 

  • Y. Shoji, Infrared Phys. Technol. 51, 367 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  • S.J. Smith, E.M. Purcell, Phys. Rev. 92(4), 1069 (1953). doi:10.1103/ PhysRev.92.1069

    Article  ADS  Google Scholar 

  • J. Steinmann, et al., in Proceedings of IPAC, Richmond, 2015, p. TUPWA043

    Google Scholar 

  • A.G. Stepanov, L. Bonacina, S.V. Chekalin, J.P. Wolf, Opt. Lett. 33(21), 2497 (2008). doi:10.1364/OL.33.002497, http://ol.osa.org/abstract.cfm?URI=ol-33-21-2497

    Google Scholar 

  • G. Stupakov, Phys. Rev. Lett. 102, 074801 (2009). doi:10.1103/PhysRevLett.102.074801, http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.074801

  • G. Stupakov, S. Heifets, Phys. Rev. ST Accel. Beams 5(5), 054402 (2002). doi:10.1103/PhysRevSTAB.5.054402

    Article  ADS  Google Scholar 

  • D. Sütterlin, D. Erni, M. Dehler, H. Jäckel, H. Sigg, V. Schlott, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B: Beam Interact. Mater. Atoms 264(2), 361 (2007). doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.nimb.2007.08.092, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168583X07015091

    Google Scholar 

  • T. Takahashi, Y. Shibata, K. Ishi, M. Ikezawa, M. Oyamada, Y. Kondo, Phys. Rev. E 62(6), 8606 (2000). doi:10.1103/PhysRevE.62.8606

    Article  ADS  Google Scholar 

  • B. Terzic, K. Godunov, D. Arumugam, M. Zubair, in Proceedings of IPAC, Richmond, 2015, p. MOBC2

    Google Scholar 

  • P. Thoma, A. Scheuring, M. Hofherr, S. Wünsch, K. Il’in, N. Smale, V. Judin, N. Hiller, A.S. Müller, A. Semenov, H.W. Hübers, M. Siegel, Appl. Phys. Lett. 101(142601) (2012). http://dx.doi.org/10.1063/1.4756905

    Google Scholar 

  • M. Venturini, R. Warnock, Phys. Rev. Lett. 89, 224802 (2002). doi:10.1103/PhysRevLett.89.224802, http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.89.224802

  • H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics, 3rd edn. (Springer, Berlin/Heidelberg, 2007)

    Google Scholar 

  • I. Wilke, A.M. MacLeod, W.A. Gillespie, G. Berden, G.M.H. Knippels, A.F.G. van der Meer, Phys. Rev. Lett. 88, 124801 (2002). doi:10.1103/PhysRevLett.88.124801, http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.88.124801

  • G. Wüstefeld, in Proceedings of EPAC, Genoa, 2008, pp. 26–30

    Google Scholar 

  • G. Wüstefeld, A. Jankowiak, J. Knobloch, M. Ries, in Proceedings of IPAC, San Sebastian, 2011, pp. 2936–2938

    Google Scholar 

  • D. Xiang, G. Stupakov, Phys. Rev. ST Accel. Beams 12(8), 080701 (2009). doi:10.1103/PhysRevSTAB.12.080701

    Article  ADS  Google Scholar 

  • X. Yan, A. MacLeod, W. Gillespie, G. Knippels, D. Oepts, et al., Phys. Rev. Lett. 85, 3404 (2000). doi:10.1103/PhysRevLett.85.3404

    Article  ADS  Google Scholar 

  • A. Zholents, P. Heimann, M. Zolotorev, J. Byrd, Nucl. Instrum. Methods A 425(1-2), 385 (1999). doi:10.1016/S0168-9002(98)01372-2, http://www.sciencedirect.com/science/article/B6TJM-3WWDNJC-15/2/1b4ae54af950e0dc041cc424e95127c2

    Google Scholar 

  • B.W. Zotter, S.A. Kheifets, Impedances and Wakes in High-Energy Particle Accelerators (World Scientific, Singapore, 1998)

    Book  Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

We would like to thank M. Brosi, N. Hiller, Y-L. Mathis, J. Raasch, M. Siegel, and J.L. Steinmann from KIT and C. Mai, S. Khan, and P. Ungelenk from DELTA for contributing figures and input for figures. It is a pleasure to thank M. Schmelling for his careful reading of the manuscript and his many helpful comments. Finally, we want to acknowledge our colleagues from the AKNA-THz and ANKA-IR groups and in particular E. Bründermann for countless insightful discussions on accelerator physics and coherent radiation.

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Anke-Susanne Müller .

Editor information

Editors and Affiliations

Rights and permissions

Reprints and permissions

Copyright information

© 2016 Springer International Publishing Switzerland

About this entry

Cite this entry

Müller, AS., Schwarz, M. (2016). Accelerator-Based THz Radiation Sources. In: Jaeschke, E., Khan, S., Schneider, J., Hastings, J. (eds) Synchrotron Light Sources and Free-Electron Lasers. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-14394-1_6

Download citation

Publish with us

Policies and ethics