CN109411312B - 基于飞秒激光调制的超快电子枪及其验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于飞秒激光调制的超快电子枪及其验证方法，首创性从改变飞秒激光波形着手，通过对飞秒激光进行调频、分束、干涉等一系列操作以产生脉宽小于10fs的电子脉冲阵列。基于飞秒激光调制的超快电子枪包括：分光镜、第一反光镜、第二反光镜、半透射反射镜、聚焦镜、带孔反射镜、阳极和阴极。本发明超快电子枪结构简单紧凑、设计科学合理，造价低廉、性能稳定、在用于超快电子衍射等泵浦‑探测测量时不会带来同步抖动的问题。

Description

基于飞秒激光调制的超快电子枪及其验证方法
技术领域
本发明涉及超快电子诊断技术领域，具体涉及基于飞秒激光调制的超快电子枪及其验证方法。
背景技术
随着透射电子显微镜(TEM)等技术的发展，人们对原子、分子等物质基本结构的静态图像进行了充分的研究，取得了许多重要的成果。然而世界是动态的，仅仅通过对静态图像的研究尚不足以完全理解自然运行规律。所以人们希望能够对原子、分子尺度的基本物理过程进行直接观测，进而对物理原理进行更深入的研究。于是，超快电子衍射技术(UED)和超快X射线衍射技术(UXD)应运而生，这两种诊断技术具有超高时空分辨能力，可以诊断材料的瞬态晶体结构变化等微观尺度动力学过程。
UED相比UXD具有散射截面大、造价低廉且结构紧凑、适合在实验室建造等特定。作为超快电子衍射技术中的“探针”，电子束的品质对超快电子衍射实验平台的性能至关重要。电子束的脉宽和同步系统的精度共同决定了UED系统的时间分辨率，然而如何得到高亮度超短脉宽电子束至今仍是一个难点问题。根据UED的原理，限制电子脉宽进一步缩短的主要因素是空间电荷效应以及探测光脉宽，在过去的二十年里，人们发展了有许多方法来减小空间电荷效应的影响。例如：尽可能的使阴极靠近样品、减少单个电子束脉冲中的电子数目、提高电子束能量，或者引入射频谐振腔等装置对电子束进行压缩。
经过20多年的努力，超快电子衍射的时间分辨率已经提到了100fs以下，然而如果要直接测量分子键的断裂等更快的动力学过程，仍然需要进一步提高其时间分辨率至10fs以下。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供基于飞秒激光调制的超快电子枪及其验证方法，首创性从改变飞秒激光波形着手，通过对飞秒激光进行调频、分束、干涉等一系列操作以产生脉宽小于10fs的电子脉冲阵列。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于飞秒激光调制的超快电子枪，包括分光镜、第一反光镜、第二反光镜、半透射反射镜、聚焦镜、带孔反射镜、阳极和阴极；
所述分光镜倾斜分布并与入射飞秒激光呈一个45°的夹角，所述分光镜置于飞秒激光的光路上用于将该飞秒激光分成相互垂直的第一分束激光和第二分束激光，其中第一分束激光经过第一反光镜和第二反光镜的延时之后通过半透射反射镜与所述第二分束激光相遇发生干涉；
所述第一反光镜和所述第二反光镜顺序位于所述第一分束激光的光路上，用于增加所述第一分束激光的光程，使得其与所述第二分束激光之间产生一定光程差，从而在两束光之间产生时间差，可将所述第一反光镜和第二反光镜置于精密的平移台上，根据需要调节光程差的大小；
所述半透射反射镜位于所述第二分束激光与经过所述第二反光镜反射后再次水平照射的第一分束激光相遇处，使得所述第二分束激光和经过所述第二反光镜反射后的第一分束激光重合从而使得两束激光进行干涉调制成入射激光；
所述聚焦镜位于所述入射激光的光路上用于对该入射激光进行聚焦；
所述带孔反射镜位于所述聚焦镜的后端，用于改变聚焦后入射激光的照射光路；
所述阳极和所述阴极间隔相对分布，所述阳极和所述阴极之间加载有高压工作电压，所述阴极位于经过所述带孔反射镜改变照射方向后的入射激光的聚焦点上，所述入射激光经过所述带孔反射镜反射至所述阳极上并穿过该阳极，打在所述阴极通过光电效应产生光电子，之后光电子在所述阳极和所述阴极之间的工作电压下加速为能量为20-300keV且脉宽小于10fs的电子脉冲阵列，该电子脉冲阵列依次经过所述阳极和所述带孔反射镜打出。
进一步地，所述带孔反射镜、所述阳极、所述阴极和所述电子脉冲阵列均处于真空环境中，并且该真空环境的真空度优于10-5Pa。
进一步地，所述阳极的中央开设有贯穿孔，该贯穿孔的直径为0.05-0.5mm，该贯穿孔用于限制电子脉冲阵列的束斑大小。
进一步地，所述阳极和所述阴极之间加载的工作电压为20-300kV。
进一步地，所述阳极和所述阴极之间的间距为2-40mm。
进一步地，所述飞秒激光总波函数可以表示不同频率光子的波函数的和，根据量子力学，该飞秒激光的激光波函数
Figure BDA0001848744360000031
的表达式为：
Figure BDA0001848744360000032
进一步地，所述入射激光打在所述阴极上产生脉宽小于10fs电子脉冲阵列的几率ρ为：
Figure BDA0001848744360000037
其中，|m＞、|i＞、|e＞分别为所述阴极的分子或原子的波函数、被激光电离后的离子波函数以及光电子波函数，
Figure BDA0001848744360000033
和
Figure BDA0001848744360000034
分别为所述第一分束激光和所述第二分束激光的波函数，Δt为所述第一分束激光和所述第二分束激光之间的时间延迟，α和β均为常数。
基于飞秒激光调制的超快电子枪产生脉宽小于10fs电子脉冲阵列的验证方法，初始电子主要是由光电效应产生，其在阴极的反应截面可以定义为一个常数a，因此可以得出：
Figure BDA0001848744360000035
Figure BDA0001848744360000036
由于飞秒激光在频域和时间上均为高斯分布，则：
Figure BDA0001848744360000041
调节光路使得α＝β，则有：
Figure BDA0001848744360000042
其中，I为入射激光强度，λ为激光波长，c为光速，取值300nm/fs，由于飞秒激光在空气和光学器件的传输过程中，长波长的光传播速度更快，所以飞秒激光会出现波长至时间序列的转换，使得光电子的产生几率随着时间发生变化，从而可以通过调节光程差Δt产生10fs电子脉冲阵列。
进一步地，所述分光镜、所述第一反光镜、所述第二反光镜和所述半透射反射镜组成一个激光干涉调制单元，所述超快电子枪包含有至少一个激光干涉调制单元，当多于一个激光干涉调制单元时，所有所述激光干涉调制单元串联使用，此时式(Ⅰ)也相应的变为
Figure BDA0001848744360000043
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明超快电子枪结构简单紧凑、设计科学合理，造价低廉、性能稳定、在用于超快电子衍射等泵浦-探测测量时不会带来同步抖动的问题，从改变飞秒激光波形着手，通过对飞秒激光进行调频、分束、干涉等一系列操作后，用于产生脉宽小于10fs的电子脉冲阵列。本发明没有引入额外的时间或者能量抖动，而能够使超快电子衍射的时间分辨达到亚10飞秒量级，从而可以探测绝大部分我们关心的物理化学过程，譬如相变动力学、化学反应机理等。
附图说明
图1为本发明超快电子枪的原理示意图。
图2为本发明超快电子枪采用两个串联的激光干涉调制单元的原理示意图。
图3为本发明超快电子枪光电子产生几率随时间的变化图。
图4为本发明超快电子枪产生10fs电子脉冲阵列在空间上的分布视图(由GPT模拟)。
图5为本发明超快电子枪产生10fs电子束在时序上的分布视图。
图6为本发明超快电子枪阳极和阴极之间电压抖动对10fs电子束到达样品处时间抖动的影响视图(由GPT模拟)。
其中，附图标记对应的名称为：
1-分光镜、2-第一分束激光、3-第二分束激光、4-第一反光镜、5-第二反光镜、6-半透射反射镜、7-入射激光、8-聚焦镜、9-带孔反射镜、10-阳极、11-阴极。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1和2所示，本发明提供的基于飞秒激光调制的超快电子枪，结构简单紧凑、设计科学合理，造价低廉、性能稳定、在用于超快电子衍射等泵浦-探测测量时不会带来同步抖动的问题，从改变飞秒激光波形着手，通过对飞秒激光进行调频、分束、干涉等一系列操作后，用于产生脉宽小于10fs的电子脉冲阵列。本发明超快电子枪包括分光镜1、第一反光镜4、第二反光镜5、半透射反射镜6、聚焦镜8、带孔反射镜9、阳极10和阴极11；
本发明所述分光镜1倾斜分布并与入射飞秒激光呈一个45°的夹角，所述分光镜1置于飞秒激光的光路上用于将该飞秒激光分成相互垂直的第一分束激光2和第二分束激光3，其中第一分束激光2经过第一反光镜4和第二反光镜5的延时之后通过半透射反射镜6与所述第二分束激光3相遇发生干涉；所述第一反光镜4和所述第二反光镜5顺序位于所述第一分束激光2的光路上，用于增加所述第一分束激光2的光程，使得其与所述第二分束激光3之间产生一定光程差，从而在两束光之间产生时间差，可将所述第一反光镜4和第二反光镜5置于精密的平移台上，根据需要调节光程差的大小；所述半透射反射镜6位于所述第二分束激光3与经过所述第二反光镜5反射后再次水平照射的第一分束激光2相遇处，使得所述第二分束激光3和经过所述第二反光镜5反射后的第一分束激光2重合从而使得两束激光进行干涉调制成入射激光7；
本发明所述聚焦镜8位于所述入射激光7的光路上用于对该入射激光7进行聚焦；述带孔反射镜9位于所述聚焦镜8的后端，用于改变聚焦后入射激光7的照射光路；所述阳极10和所述阴极11间隔相对分布，所述阳极10和所述阴极11之间加载有高压工作电压，所述阴极11位于经过所述带孔反射镜9改变照射方向后的入射激光7的聚焦点上，所述入射激光7经过所述带孔反射镜9反射至所述阳极10上并穿过该阳极10，打在所述阴极11通过光电效应产生光电子，之后光电子在所述阳极10和所述阴极11之间的工作电压下加速为能量为20-300keV且脉宽小于10fs的电子脉冲阵列，该电子脉冲阵列依次经过所述阳极10和所述带孔反射镜9打出。
本发明所述带孔反射镜9、所述阳极10、所述阴极11和所述电子脉冲阵列均处于真空环境中，并且该真空环境的真空度优于10-5Pa。所述阳极10的中央开设有贯穿孔，该贯穿孔的直径为0.05-0.5mm，该贯穿孔用于限制电子脉冲阵列的束斑大小。所述阳极10和所述阴极11之间加载的工作电压为20-300kV。所述阳极10和所述阴极11之间的间距为2-40mm。
本发明所述飞秒激光总波函数可以表示不同频率光子的波函数的和，根据量子力学，该飞秒激光的激光波函数
Figure BDA0001848744360000061
的表达式为：
Figure BDA0001848744360000062
本发明所述入射激光7打在所述阴极11上产生脉宽小于10fs电子脉冲阵列的几率ρ为：
Figure BDA0001848744360000077
其中，|m＞、|i＞、|e＞分别为所述阴极的分子或原子的波函数、被激光电离后的离子波函数以及光电子波函数，
Figure BDA0001848744360000071
和
Figure BDA0001848744360000072
分别为所述第一分束激光2和所述第二分束激光3的波函数，Δt为所述第一分束激光2和所述第二分束激光3之间的时间延迟，α和β均为常数。
本发明提供的基于飞秒激光调制的超快电子枪产生脉宽小于10fs电子脉冲阵列的验证方法，初始电子主要是由光电效应产生，其在阴极的反应截面可以定义为一个常数a，因此可以得出：
Figure BDA0001848744360000073
Figure BDA0001848744360000074
由于飞秒激光在频域和时间上均为高斯分布，则：
Figure BDA0001848744360000075
调节光路使得α＝β，则有：
Figure BDA0001848744360000076
其中，I为入射激光强度，λ为激光波长，c为光速，取值300nm/fs，由于飞秒激光在空气和光学器件的传输过程中，长波长的光传播速度更快，所以飞秒激光会出现波长至时间序列的转换，使得光电子的产生几率随着时间发生变化，从而可以通过调节光程差Δt产生10fs电子脉冲阵列。
本发明所述分光镜1、所述第一反光镜4、所述第二反光镜5和所述半透射反射镜6组成一个激光干涉调制单元，所述超快电子枪包含有至少一个激光干涉调制单元，，当多于一个激光干涉调制单元时，所有所述激光干涉调制单元串联使用，其中两个激光干涉调制单元串联的原理如图2所示，此时式(Ⅰ)也相应的变为
Figure BDA0001848744360000081
以下提供实例，以使本技术领域技术人员能够更好地理解本发明技术方案。
本实例中所采用的飞秒激光器的激光频率范围为730nm-870nm，脉宽为45fs(半高全宽)；采用的电子枪结构如图2所示，使用两个光学干涉单位，相应地，光电子产生的几率为：
Figure BDA0001848744360000082
激光经过光学元器件后打在电子枪阴极时的脉宽为100fs，通过调制光程使得Δt1＝150fs，Δt2＝300fs，则可以得到光电子产生的几率随时间变化情况，如图3中实线所示。
完成激光调制的基础上，本实例采用直流加速光电子枪来产生200keV的电子束作为探针电子，阴阳极间距为25mm，这种方案既有效避免了MeV UED中结构复杂、成本高昂的问题，又最大程度的利用了相对论效应，有效的抑制了空间电荷效应。在样品处(本发明样品在距离阴极10cm处)的电子脉冲阵列如图4所示，可以看到当电子束能量达到200keV以上时，即使在超高亮度的情况下(单发电子数目达到105)，空间电荷效应也得到了有效的抑制，电子束阵列的时空分布基本与光电子产生时的分布相同，如果适当减少单发电子数目，效果会更加明显。通过计算可以将电子脉冲阵列的空间分布转为到时序上，如图5所示，可以清楚的看到脉冲阵列中的每个脉冲脉宽时间均小于10fs。
由于电子脉冲阵列“探针”能量很高，我们对为电子枪提供电压的高压电源进行了系统的调研以及初步的模拟。图6为我们对高压电源纹波所带来同步抖动进行模拟计算的结果，从图上可以看到，当电子枪工作在能量为200keV、阴极阳极间距为25mm、单发电子数目为105时，电压每发生一伏特的抖动就会在样品处(本发明样品在距离阴极10cm处)带来一飞秒的时间抖动，所以本实例需要采用纹波小于5ppm的高压电源。
本发明超快电子枪结构简单紧凑、设计科学合理，造价低廉、性能稳定、在用于超快电子衍射等泵浦-探测测量时不会带来同步抖动的问题，从减小改变飞秒激光脉宽波形着手，通过对飞秒激光进行调频、分束、干涉等一系列操作后，用于产生脉宽小于10fs的电子脉冲阵列束。本发明没有引入额外的时间或者能量抖动，而能够使超快电子衍射的时间分辨达到亚10飞秒量级，从而可以探测绝大部分我们关心的物理化学过程，譬如相变动力学、化学反应机理等。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于飞秒激光调制的超快电子枪，其特征在于，包括分光镜(1)、第一反光镜(4)、第二反光镜(5)、半透射反射镜(6)、聚焦镜(8)、带孔反射镜(9)、阳极(10)和阴极(11)；
所述分光镜(1)倾斜分布并与入射飞秒激光呈一个45°的夹角，所述分光镜(1)置于飞秒激光的光路上用于将该飞秒激光分成相互垂直的第一分束激光(2)和第二分束激光(3)，其中第一分束激光(2)经过第一反光镜(4)和第二反光镜(5)的延时之后通过半透射反射镜(6)与所述第二分束激光(3)相遇发生干涉；
所述第一反光镜(4)和所述第二反光镜(5)顺序位于所述第一分束激光(2)的光路上，用于增加所述第一分束激光(2)的光程，使得其与所述第二分束激光(3)之间产生一定光程差，从而在两束光之间产生时间差，可将所述第一反光镜(4)和第二反光镜(5)置于精密的平移台上，根据需要调节光程差的大小；
所述半透射反射镜(6)位于所述第二分束激光(3)与经过所述第二反光镜(5)反射后再次水平照射的第一分束激光(2)相遇处，使得所述第二分束激光(3)和经过所述第二反光镜(5)反射后的第一分束激光(2)重合从而使得两束激光进行干涉调制成入射激光(7)；
所述聚焦镜(8)位于所述入射激光(7)的光路上用于对该入射激光(7)进行聚焦；
所述带孔反射镜(9)位于所述聚焦镜(8)的后端，用于改变聚焦后入射激光(7)的照射光路；
所述阳极(10)和所述阴极(11)间隔相对分布，所述阳极(10)和所述阴极(11)之间加载有高压工作电压，所述阴极(11)位于经过所述带孔反射镜(9)改变照射方向后的入射激光(7)的聚焦点上，所述入射激光(7)经过所述带孔反射镜(9)反射至所述阳极(10)上并穿过该阳极(10)，打在所述阴极(11)通过光电效应产生光电子，之后光电子在所述阳极(10)和所述阴极(11)之间的工作电压下加速为能量为20-300keV且脉宽小于10fs的电子脉冲阵列，该电子脉冲阵列依次经过所述阳极(10)和所述带孔反射镜(9)打出。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光调制的超快电子枪，其特征在于，所述带孔反射镜(9)、所述阳极(10)、所述阴极(11)和所述电子脉冲阵列均处于真空环境中，并且该真空环境的真空度优于10-5Pa。
3.根据权利要求2所述的基于飞秒激光调制的超快电子枪，其特征在于，所述阳极(10)的中央开设有贯穿孔，该贯穿孔的直径为0.05-0.5mm，该贯穿孔用于限制电子脉冲阵列的束斑大小。
4.根据权利要求3所述的基于飞秒激光调制的超快电子枪，其特征在于，所述阳极(10)和所述阴极(11)之间加载的工作电压为20-300kV。
5.根据权利要求4所述的基于飞秒激光调制的超快电子枪，其特征在于，所述阳极(10)和所述阴极(11)之间的间距为2-40mm。
6.根据权利要求5所述的基于飞秒激光调制的超快电子枪，其特征在于，所述飞秒激光总波函数可以表示不同频率光子的波函数的和，根据量子力学，该飞秒激光的激光波函数
Figure FDA0002519017380000021
的表达式为：
Figure FDA0002519017380000022
7.根据权利要求6所述的基于飞秒激光调制的超快电子枪，其特征在于，所述入射激光(7)打在所述阴极(11)上产生脉宽小于10fs电子脉冲阵列的几率ρ为：
Figure FDA0002519017380000023
其中，|m>、|i>、|e>分别为所述阴极的分子或原子的波函数、被激光电离后的离子波函数以及光电子波函数，
Figure FDA0002519017380000024
和
Figure FDA0002519017380000025
分别为所述第一分束激光(2)和所述第二分束激光(3)的波函数，Δt为所述第一分束激光(2)和所述第二分束激光(3)之间的时间延迟，α和β均为常数。
8.如权利要求7所述的基于飞秒激光调制的超快电子枪产生的脉宽小于10fs电子脉冲阵列的验证方法，其特征在于，初始电子主要是由光电效应产生，其在阴极的反应截面可以定义为一个常数a，因此可以得出：
Figure FDA0002519017380000031
Figure FDA0002519017380000032
由于飞秒激光在频域和时间上均为高斯分布，则：
Figure FDA0002519017380000033
调节飞秒激光的光路使得α＝β，则有：
Figure FDA0002519017380000034
其中，I为入射激光强度，λ为激光波长，c为光速，取值300nm/fs，由于飞秒激光在空气和光学器件的传输过程中，长波长的光传播速度更快，所以飞秒激光会出现波长至时间序列的转换，使得光电子的产生几率随着时间发生变化，从而可以通过调节光程差Δt产生10fs电子脉冲阵列。
9.根据权利要求8所述的验证方法，其特征在于，所述分光镜(1)、所述第一反光镜(4)、所述第二反光镜(5)和所述半透射反射镜(6)组成一个激光干涉调制单元，所述超快电子枪包含有至少一个激光干涉调制单元，当多于一个激光干涉调制单元时，所有所述激光干涉调制单元串联使用，此时式(Ⅰ)也相应的变为
Figure FDA0002519017380000035
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