CN103424633B - 一种超短电子脉冲脉宽测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超快诊断领域，尤其涉及一种超短电子脉冲脉宽测量装置及方法。包括俄歇靶材、待测电子脉冲、载波包络相位锁定的疏周期超强近红外飞秒脉冲源及电子能谱探测分析系统；近红外飞秒脉冲源所发出的脉冲与待测电子脉冲入射在俄歇靶上的同一空间点；待测电子脉冲通过俄歇靶材电离出俄歇电子脉冲；电子能谱探测分析系统可接收电离出的俄歇电子脉冲，通过俄歇电子的二维电子能谱图即可重建出俄歇电子脉冲的时域轮廓；将此时域轮廓分布与俄歇靶材的俄歇过程进行反卷积运算，即得出待测电子脉冲的时域轮廓，进而得出待测电子脉冲脉宽。本发明提供了一种可以测量脉宽的超短电子脉冲脉宽测量装置及方法。

Description

一种超短电子脉冲脉宽测量装置及方法

技术领域

本发明属于超快诊断领域，涉及一种超快时间信息测量技术，尤其涉及一种超短电子脉冲脉宽测量装置及方法。

背景技术

时间分辨超快现象研究正在基础研究、高新技术研究的诸多领域展开，以超短电子脉冲快速准确控制为基础的带电粒子光学诊断技术是当前许多应用研究的重要手段，如超快电子衍射、晶体学、显微术、电子成像、超短X射线脉冲产生以及X射线激光泵浦等。随着应用研究的深入，它们对脉宽更短的电子脉冲的需求变得更为迫切。如脉宽在几个fs甚至阿秒量级的电子脉冲将极大地拓展时间分辨电子衍射技术应用研究的深度，使得能够直接观察到原子中电子波包和分子结构的超快动力学过程。无疑，超短电子脉冲产生技术和相应的电子脉冲脉宽测量技术将始终是此类研究的焦点所在。

在超短电子脉冲脉宽测量方面，目前已有的技术主要有：条纹相机技术；相干跃迁辐射干涉测量法；射频零相位法；太赫兹辐射诊断技术；电子光学编码技术；激光与电子脉冲的质动作用法。然而，这些技术在测量脉宽在几个fs甚至阿秒量级的电子脉冲时，都存在着不同程度的技术问题：条纹相机技术和射频零相位法不适用于脉宽小于200fs的电子脉冲；相干跃迁辐射干涉测量法、赫兹辐射诊断技术以及电子光学编码技术需要待测量的电子脉冲包含较大数量的电子以产生足够强的信号；而激光与电子脉冲的质动作用法则需要较高的激光强度，同时其时间分辨能力由所用激光脉冲的宽度所决定。因此，人们对超短电子脉冲脉宽测量技术的探索仍在继续。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种超短电子脉冲脉宽测量装置及方法。

本发明的技术方案是：

1、一种超短电子脉冲脉宽测量装置，其特殊之处在于：包括俄歇靶材、待测电子脉冲、载波包络相位锁定的疏周期超强近红外飞秒脉冲源及电子能谱探测分析系统；上述近红外飞秒脉冲源所发出的脉冲与待测电子脉冲入射在俄歇靶上的同一空间点；上述待测电子脉冲通过碰撞电离过程从俄歇靶材电离出俄歇电子脉冲；上述电子能谱探测分析系统可接收电离出的俄歇电子脉冲，通过俄歇电子的二维电子能谱图即可重建出俄歇电子脉冲的时域轮廓；将此时域轮廓分布与俄歇靶材的俄歇过程进行反卷积运算，即得出待测电子脉冲的时域轮廓，进而得出待测电子脉冲脉宽。

2、一种超短电子脉冲脉宽测量方法，其特殊之处在于：

包括以下步骤：

1】在碰撞电离物理机制下，基于待测电子脉冲能量选定俄歇靶材，并确定此靶材俄歇弛豫过程电离电子的数量随时间的变化关系，这里设为f₁(t)；

2】根据待测电子脉冲能量确定近红外飞秒光场和待测电子脉冲相对靶材法线的入射角，且此近红外飞秒光场必须为载波包络相位锁定的疏周期超强近红外飞秒脉冲；

3】调整近红外飞秒光场的偏振方向，使得近红外飞秒光场偏振方向与俄歇电子脉冲的出射方向重合；

4】将近红外飞秒光场和待测电子脉冲入射在目标靶上的同一空间点，同时使得两者峰值在空间重合；

5】调整近红外飞秒光场和待测电子脉冲的相对时延以获得二维电子能谱图；

6】运用双盲迭代算法，重建出俄歇电子脉冲的时域轮廓f2(t)；

7】将f₂(t)和f₁(t)进行反卷积运算，即得出待测电子脉冲的时域轮廓f(t)，进而得出脉冲宽度。

本发明的技术效果是：

1.本发明基于全新的时域至能量域映射技术，因而可以测量脉宽在几个飞秒甚至阿秒量级的超短电子脉冲。

2.本发明可测量的电子脉冲的能量具有较宽的范围，从几个电子伏直至兆电子伏量级。

3.本发明可测量的电子脉冲的单脉冲电子数具有较宽的范围，从几百万个直至单个。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明某一时刻电离的俄歇电子受到的近红外光场的能量调制过程图；

其中，1‐俄歇靶材、2‐载波包络相位锁定的疏周期超强近红外飞秒脉冲、3‐待测电子脉冲、4‐俄歇电子脉冲、5‐电子能谱探测分析系统。

具体实施方式

参见图1‐2。本发明的技术装置如图1所示，载波包络相位锁定的疏周期超强近红外飞秒脉冲与待测电子脉冲入射在俄歇靶上的同一空间点，同时两脉冲峰值在空间重合；待测电子脉冲以碰撞电离机制从俄歇靶材中电离出俄歇电子脉冲，俄歇电子脉冲时间信息是入射电子脉冲与俄歇过程的卷积；俄歇电子脉冲电离之后，即刻受到近红外光场的能量调制作用，且电子能量调制幅度仅与电离时刻近红外光场的分布有关；经调制后的俄歇电子由电子能谱探测分析系统接收。通过调节近红外光场和待测电子脉冲的相对时延，便可获得二维电子能谱图。由此二维能谱分布推出俄歇电子脉冲的时间信息。将此时间分布与俄歇靶材的俄歇过程进行反卷积运算，即得出待测电子脉冲的时域轮廓，进而得出待测电子脉冲脉宽。

图1所涉及的物理过程实质可分为两个相继的分过程：（1）待测电子脉冲以碰撞电离机制从俄歇靶材中电离出俄歇电子脉冲；（2）俄歇电子脉冲即刻在近红外光场中运动而受到能量调制作用。因而，可将近红外光场成为调制场。在第一个过程中，所产生的俄歇电子脉冲的时间信息是入射的待测电子脉冲与俄歇过程时间分布的卷积。对第二个过程，考虑对于在t=t_i时刻产生于偏振驱动场中的俄歇电子，其速度v(t)即可根据经典力学的方法求得如下：

$\stackrel{\→}{v}=-\frac{e}{m_e}\stackrel{\→}{A}\left(t\right)+[{\stackrel{\→}{v}}_0+\frac{e}{m_e}\stackrel{\→}{A}\left(t_i\right)]\·---\left(1\right)$

这里， 是电场的矢量势。式（1）右边的第一项代表的是电子在近红外调制场中的振动，当调制场消失时其趋于0；而第二项为调制场消失时电子最终的漂移速度v_f。v_f与v₀的差别，从经典力学的角度可理解为俄歇电子对调制场光子的吸收或者散射等作用的结果。某一时刻电离的俄歇电子受到的近红外光场的能量调制过程如图2所示，其中虚线圆代表的是俄歇电子的初始电离状态v₀，实线圆代表的是俄歇电子的漂移状态v_f，θ为v_f与x轴方向所成的角度。也就是说，调制场作用的结果是使t=t_i时刻产生的所有俄歇电子的初始速度沿着光场的偏振方向有一个速度增量显然，这个速度增量仅与光电子产生的时间有关系，而这个依赖关系正是该超短电子脉冲脉宽测量技术的核心物理思想。

通过调节调制场和待测电子脉冲的相对时间延迟，便可获得不同时延时的电子能谱图，也即二维俄歇电子能谱图。运用双盲迭代算法，如PCGPA，即可重建出俄歇电子脉冲的时域轮廓。将此时间分布与俄歇靶材的俄歇过程进行反卷积运算，即得出待测电子脉冲的时域轮廓，进而得出待测电子脉冲脉宽。

在调制光场及待测电子脉冲相关角度的设置方面，所遵循的原则是：（1）调制光场的偏振方向与俄歇电子脉冲的传输方向相同；（2）调制光场脉冲和待测电子脉冲相对俄歇靶材表面的速度相同。针对条件（1），可得α和β首先需满足的关系式为α=β。针对条件（2），对相对论性电子而言，待测阿秒脉冲的传输速度近似为光速c，因而此时调制光场及待测电子脉冲将共线同向传输直至入射到俄歇靶材上的空间同一点。而对非相对论性电子而言，设其能量为E_i，则相关角度α和β需满足的约束关系如下

$\sqrt{\frac{{2E}_i}{m_e}}\cos \mathrm{\α}=c\·\sin \mathrm{\α}\·---\left(2\right)$

其中m_e为电子的静止质量。如果E_i=20keV，则由上式可知α=15.6°。

Claims (2)

1.一种超短电子脉冲脉宽测量装置，其特征在于：包括俄歇靶材、待测电子脉冲、载波包络相位锁定的疏周期超强近红外飞秒脉冲源及电子能谱探测分析系统；所述载波包络相位锁定的疏周期超强近红外飞秒脉冲源发出脉冲并与待测电子脉冲入射在俄歇靶材上的同一空间点；所述待测电子脉冲通过碰撞电离过程从俄歇靶材电离出俄歇电子脉冲；所述电子能谱探测分析系统可接收电离出的俄歇电子脉冲。

2.一种超短电子脉冲脉宽测量方法，其特征在于：

包括以下步骤：

1】在碰撞电离物理机制下，基于待测电子脉冲能量选定俄歇靶材，并确定此靶材俄歇弛豫过程电离电子的数量随时间的变化关系，这里设为f₁(t)；

2】根据待测电子脉冲能量确定近红外飞秒光场和待测电子脉冲相对靶材法线的入射角，且此近红外飞秒光场必须为载波包络相位锁定的疏周期超强近红外飞秒脉冲；

3】调整近红外飞秒光场的偏振方向，使得近红外飞秒光场偏振方向与俄歇电子脉冲的出射方向重合；

4】将近红外飞秒光场和待测电子脉冲入射在目标靶上的同一空间点，同时使得两者峰值在空间重合；

5】调整近红外飞秒光场和待测电子脉冲的相对时延以获得二维电子能谱图；

6】运用双盲迭代算法，重建出俄歇电子脉冲的时域轮廓f₂(t)；

7】将f₂(t)和f₁(t)进行反卷积运算，即得出待测电子脉冲的时域轮廓f(t)，进而得出脉冲宽度。