CN112218420B - 全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超快诊断技术，具体涉及一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统及方法，以解决现有的条纹相机存在时间分辨率低、结构复杂和稳定性差的问题。本发明所采用技术方案为：全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统包括飞秒激光器、紫外激光脉冲发生装置、第一反射镜、分束镜、单周期太赫兹发生装置、第二反射镜、多周期太赫兹发生装置、相机、真空腔室、以及在真空腔室中沿光路依次设置的直流加速系统、开孔离轴抛物面镜、太赫兹电子束操纵系统、太赫兹偏转系统和荧光屏；本发明还提供了一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征方法。

Description

全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统及方法
技术领域
本发明涉及超快诊断技术，具体涉及一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统及方法。
背景技术
在电真空超快诊断领域，精确操纵电子的产生和运行是高时空分辨的基础。
现有的超快光脉冲已经可以达到亚100fs甚至as的量级，相应的超快电子脉冲也可以达到几百fs，压缩之后甚至为几fs量级，然而对这种时间尺度脉冲的测量仍面临着挑战。条纹相机是实现超快电子脉冲表征的重要工具至一，其将一维超快时间信息转换为空间信息，从而反演测得超快电子脉冲的时间特性。但到目前为止，经典条纹相机的超快电子脉冲始终没有突破100fs，其中提高阴极附近的电子加速场强、缩短电子漂移距离、提高扫描偏转系统的扫描速度是提升条纹相机时间分辨率的关键。
目前提高阴极附近的电子加速场强主要有三种方法：高压加速电子、射频加速电子、采用单周期太赫兹脉冲上升沿加速电子。
当条纹相机阴极和栅极间采用直流高压加速时，直流高压容易导致阴极和栅极之间打火，使得阴极表面场强被限制在15MV/m以下；
当使用传统射频电子枪加速电子时，加速场强最高能达到200MV/m，但射频存在相位抖动(几十到几百飞秒)，严重限制了时间分辨率，而且射频腔体积庞大、造价昂贵；当采用单周期太赫兹脉冲上升沿加速电子由于单周期太赫兹脉冲很短，电子容易从单周期太赫兹波的作用区域滑离；如文献(Terahertz-Driven Linear ElectronAcceleration.E.A.Nanni,et al.Nat.Commun.6,8486(2015))中提出了采用单周期太赫兹脉冲加速电子的方法，实验采用能量为10uJ的单周期太赫兹脉冲，将注入的60KeV电子能量调制了7KeV，作用距离限制在3mm，由于单周期太赫兹脉冲很短，电子和太赫兹的相位前沿不匹配，注入的长电子束导致了大的能量扩散；基于电子和太赫兹的相位前沿不匹配的问题，专利CN206194689U提供了一种基于太赫兹技术的飞秒电子衍射系统，具体的电子加速结构涉及一种填充多层介质的平行板波导电子枪，能够解决太赫兹脉冲和电子相位匹配的问题，但太赫兹脉冲从波导两侧入射，系统结构复杂，所占空间较大。
现有缩短电子漂移距离的方式主要是通过电子束聚焦技术和电子束压缩技术。电子束聚焦技术一般采用静电透镜或磁透镜聚焦电子束，电透镜像面、焦平面前后漂移较小，图像稳定，但像差较大，对高能电子束的聚焦能力较弱；磁透镜易于控制焦距和放大倍率，无击穿，像差小，但体积大，且线圈的热效应严重制约工作时间和稳定性；专利CN106444346 A涉及一种太赫兹脉冲上升沿偏转电子的条纹相机，其偏转结构是一个二级天线，能够产生高偏转场，当电子能量高达MeV时，天线内的磁场作用将抵消部分电场作用，导致偏转灵敏度下降。
电子束压缩技术一般采用射频波压缩电子，存在较大的时间抖动，而且射频腔体积庞大、造价昂贵；为了限制电子束的纵向空间电荷效应引起的脉冲展宽，文献(DirectMeasurement of Sub-10fs Relativistic Electron Beams with UltralowEmittance.J.Maxson,et al.Phys.Rev.Lett.118,154802(2017))涉及一种射频腔压缩电子束的加速器，产生了短至7fs的相对论电子束，但这是以增加时序抖动为代价的，进一步将会引起时间分辨率的恶化。
现有的扫描偏转电子束技术采用的是不封口的平行金属板，为了消除磁场对电子的影响需要从波导的两端同时入射太赫兹脉冲，存在占用空间大的问题。
发明内容
本发明在于解决目前现有的条纹相机存在时间分辨率低、结构复杂和稳定性差的问题，而提供一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统及方法。
本发明所采用的技术方案为：全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统包括飞秒激光器、紫外激光脉冲发生装置、第一反射镜、分束镜、单周期太赫兹发生装置、第二反射镜、多周期太赫兹发生装置、相机、真空腔室、以及在真空腔室中沿光路依次设置的直流加速系统、开孔离轴抛物面镜、太赫兹电子束操纵系统、太赫兹偏转系统和荧光屏；
飞秒激光器出射的飞秒激光脉冲依次通过紫外激光脉冲发生装置、第一反射镜和分束镜，经分束镜反射后的一束第一紫外激光脉冲进入单周期太赫兹发生装置，经分束镜折射后的另一束第二紫外激光脉冲进入多周期太赫兹发生装置；
单周期太赫兹发生装置产生的单周期太赫兹脉冲经第二反射镜反射后进入太赫兹偏转系统；
多周期太赫兹发生装置产生的多周期太赫兹脉冲经开孔离轴抛物面镜反射后进入太赫兹电子束操纵系统；
所述直流加速系统用于向开孔离轴抛物面镜出射电子脉冲；
所述太赫兹电子束操纵系统包括沿光路依次设置的太赫兹加速系统、太赫兹聚焦系统和太赫兹压缩系统；
经太赫兹电子束操纵系统操纵后的电子脉冲与单周期太赫兹脉冲同时入射至太赫兹偏转系统，太赫兹偏转系统用于加强单周期太赫兹脉冲中的场强，使电子脉冲受场强力后偏转到荧光屏上；
所述相机设置在真空腔室外部，用于记录荧光屏上所成的条纹像。
进一步地，所述直流加速系统和多周期太赫兹发生装置的光路位置设定条件为：直流加速系统产生的电子脉冲和多周期太赫兹发生装置产生的多周期太赫兹脉冲同时到达太赫兹电子束操纵系统；
所述单周期太赫兹发生装置的光路位置设定条件为：单周期太赫兹发生装置产生的单周期太赫兹脉冲与直流加速系统产生的电子脉冲同时到达太赫兹偏转系统。
进一步地，所述太赫兹加速系统、太赫兹聚焦系统和太赫兹压缩系统均为圆波导，且圆波导两端均同轴设置有耦合锥。
进一步地，所述圆波导的截面圆孔直径为5μm-30μm，长度为5μm到2cm，介电层为氧化铝，外层为铜，介电层厚度为50μm到200μm；
所述耦合锥的介电层为氧化铝，外层为铜，介电层厚度为50μm到200μm。
进一步地，所述太赫兹偏转系统用于抵消太赫兹波中磁场、增强太赫兹波中电场。
进一步地，所述太赫兹偏转系统包括U形波导，所述U形波导前面、后面及一侧面开口，上面、下面及另一侧面封闭，其前后开口正对电子束运动方向，其一侧面开口为喇叭状，且喇叭状的侧面开口正对单周期太赫兹脉冲运动方向。
进一步地，所述直流加速系统包括光电阴极和阳极，所述阳极的狭缝正对光电阴极设置。
进一步地，所述单周期太赫兹发生装置包括沿着第一紫外激光脉冲出射方向依次设置的光栅、透镜和铌酸锂晶体；
所述多周期太赫兹发生装置包括沿着第二紫外激光脉冲出射方向依次设置MgO:PPLN晶体和分区波片。
进一步地，所述紫外激光脉冲发生装置包括沿着飞秒激光脉冲出射方向依次设置的倍频晶体、群速度补偿晶体、零阶双波片、和频晶体以及分光棱镜；所述倍频晶体为厚度0.2mm、切割角29.2°的I类相位匹配BBO晶体；群速度补偿晶体为厚度0.2mm、切割角29.2°的I类相位匹配BBO晶体；和频晶体为厚度0.1mm、切割角44.3°的I类相位匹配BBO晶体。
本发明还提供了一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征方法，包括以下步骤：
1)激光及电子束的产生
1.1)飞秒激光进入紫外激光脉冲发生装置产生紫外激光脉冲，经分束镜分为两束紫外激光脉冲，并分别产生单周期太赫兹脉冲和径向偏振的多周期太赫兹脉冲；
1.2)光电阴极产生电子脉冲；
2)激光和电子脉冲的同步
2.1)使径向偏振的多周期太赫兹脉冲和电子脉冲同步，然后对多周期太赫兹脉冲进行准直和聚焦，再对电子脉冲进行加速、聚焦、压缩，得到压缩后的电子脉冲；
2.2)再使单周期太赫兹脉冲和经压缩后电子脉冲的同步；
3)同步后的单周期太赫兹脉冲入射至U形波导的另一侧面上，同步后的电子脉冲入射至U形波导上面和下面形成的场强空间，使入射的单周期太赫兹脉冲的磁场抵消，入射的单周期太赫兹脉冲的电场增强；
4)然后将电子脉冲偏转到荧光屏上不同的位置，相机记录所成的条纹像。
本发明中只需从U形波导的一端入射单周期太赫兹脉冲，避免了不封口的平行板波导需要从两端输入单周期太赫兹脉冲，节省了对单周期太赫兹脉冲进行分束的光路，占用系统的空间小。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明采用的一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，采用多周期太赫兹脉冲加速电子，能大幅提升太赫兹波与电子的作用距离，提高了阴极附近的电子加速场强，使得电子脉冲的能量达到KeV量级或MeV量级；同时采用的加速波导体积小且不易打火，使其占用系统的空间小并且稳定性更好。
二、本发明采用的一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，采用多周期太赫兹脉冲对电子束进行聚焦，图像稳定、像差小、稳定性高；采用多周期太赫兹脉冲对电子束进行压缩，压缩过程稳定；太赫兹脉冲对电子束的聚焦和压缩均采用的波导具有体积小、占用系统的空间小、不易打火且稳定性高的优点。
三、本发明采用的一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，采用的U形波导板结构简单，避免了太赫兹脉冲磁场对高能电子脉冲的影响，提高了电子束的偏转灵敏度，改变U形波导板中上下两面之间的间隙尺寸，间隙尺寸范围为5μm-30μm，共振频率可在几百GHZ到几THZ的范围内变化，产生的偏转电场上升时间可在几百飞秒到几皮秒的范围内变化，提高了扫描偏转系统的扫描速度，提升条纹相机时间分辨率度。
附图说明
图1为本发明一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统的结构图。
图2为本发明一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统太赫兹偏转系统的立体结构图。
图3为图2的左视图。
图4为本发明一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统多周期太赫兹发生装置的结构图。
图5为本发明一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统单周期太赫兹脉冲发生装置的结构图。
图6为本发明一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统的圆柱形波导结构示意图。
图中：
1-飞秒激光器，2-飞秒激光脉冲，3-紫外激光脉冲发生装置，4-紫外激光脉冲，5-第一反射镜，6-分束镜，7-第一紫外激光脉冲，8-单周期太赫兹发生装置，9-单周期太赫兹脉冲；
10-第二反射镜，11-第二紫外激光脉冲，12-多周期太赫兹发生装置，13-多周期太赫兹脉冲，14-光电阴极，15-电子脉冲，16-阳极，17-开孔离轴抛物面镜，18-太赫兹加速系统，19-太赫兹聚焦系统；
20-太赫兹压缩系统，21-太赫兹偏转系统，22-荧光屏，23-相机，24-真空腔室，25-MgO:PPLN(周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体)，26-线性极化的太赫兹脉冲，27-分区波片，28-光栅，29-倾斜波前的紫外激光脉冲，30-透镜，31-铌酸锂晶体，32-铜，33-氧化铝；
a-前面，b-后面，c-一侧面，d-上面，e-下面，f-另一侧面。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1所示，本实施例中的一种全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，包括飞秒激光器1、紫外激光脉冲发生装置3、第一反射镜5、分束镜6、单周期太赫兹发生装置8、第二反射镜10、多周期太赫兹发生装置12、相机23、真空腔室24、以及在真空腔室24中沿光路依次设置的直流加速系统、开孔离轴抛物面镜17、太赫兹电子束操纵系统、太赫兹偏转系统21和荧光屏22；
在真空室24内，光电阴极14后安装阳极16，阳极16上的狭缝正对着光电阴极14，该阳极16为栅极；
阳极16之后依次设置开孔离轴抛物面镜17、太赫兹聚焦系统19、太赫兹压缩系统20、太赫兹偏转系统21、荧光屏22和相机23，且均在同一光轴线上，所述荧光屏22嵌装在真空室24上。
飞秒激光进入紫外激光脉冲发生装置3产生紫外激光脉冲4；
紫外激光脉冲4经过第一反射镜5的反射后入射至分束镜6，紫外激光脉冲4通过分束镜6后，分为两束紫外激光脉冲，两束紫外激光脉冲分别为：第一紫外激光脉冲7和第二紫外激光脉冲11，第一紫外激光脉冲7进入单周期太赫兹脉冲发生装置8产生单周期太赫兹脉冲9，第二紫外激光脉冲11进入多周期太赫兹脉冲发生装置12产生径向偏振的多周期太赫兹脉冲13，径向偏振的多周期太赫兹脉冲13通过开孔离轴抛物面镜17的准直和聚焦先后进入太赫兹加速系统18、太赫兹聚焦系统19、太赫兹压缩系统20，在三个系统中分别产生加速场、聚焦场和压缩场；
单周期太赫兹脉冲9进入太赫兹偏转系统21产生偏转电场；
光电阴极14产生电子脉冲15；
所述直流加速系统和太赫兹加速系统18共同组成电子加速系统，所述直流加速系统包括光电阴极14和阳极16，所述阳极16的狭缝正对光电阴极14设置；电子脉冲15先后经过直流加速系统和太赫兹加速系统18，分别受到直流加速系统的静场加速和太赫兹加速系统18的太赫兹加速；
电子脉冲15从开孔离轴抛物面镜17的小孔通过，先后进入太赫兹加速系统18、太赫兹聚焦系统19、太赫兹压缩系统20，电子脉冲15与多周期太赫兹脉冲13到达太赫兹加速系统18、太赫兹聚焦系统19、太赫兹压缩系统20的时间同步，保证太赫兹波对电子脉冲产生加速、聚焦和压缩作用；
电子脉冲15离开太赫兹压缩系统20后进入太赫兹偏转系统21，此时单周期太赫兹脉冲9也正好到达太赫兹偏转系统21，单周期太赫兹脉冲9的上升沿几乎线性，产生一个线性的扫描场，不同时间到达的电子受到不同大小的偏转电场，并被偏转到荧光屏22上不同的位置，所成的条纹像由相机23记录。
如图2所示，太赫兹偏转系统21为一个喇叭形、收口终端封闭的短平行板波导(U形波导板)，短平行板波导的长度为50μm到200μm；平行板波导的平行部分为电子通道，短平行板波导的宽度为1μm到2cm，短平行板之间的间隙为5μm到30μm；
单周期太赫兹脉冲9从U形波导板的开口端入射至U形波导板内壁；并且如图3所示，在U形波导板中，被多周期太赫兹脉冲加速后的电子脉冲的入射方向与单周期太赫兹脉冲9的入射方向相互垂直。
当单周期太赫兹波9入射进入U形波导板对电子脉冲进行偏转时，单周期太赫兹脉冲9在U形波导板开口相对的封口处反射，反射的单周期太赫兹脉冲9中磁场方向与入射的单周期太赫兹脉冲9中磁场方向相反，磁场相互抵消，反射的单周期太赫兹脉冲9中电场方向与入射的单周期太赫兹脉冲9的电场方向相同，使电子脉冲所在的电场增强，达到了削弱磁场、增强电场的效果，提高了扫描偏转系统的扫描速度，提升条纹相机时间分辨率度。
紫外激光脉冲发生装置3包括沿着飞秒激光脉冲2出射方向依次设置的倍频晶体、群速度补偿晶体、零阶双波片、和频晶体以及分光棱镜；倍频晶体为厚度0.2mm、切割角29.2°的I类相位匹配BBO晶体；群速度补偿晶体为厚度0.2mm、切割角29.2°的I类相位匹配BBO晶体；和频晶体为厚度0.1mm、切割角44.3°的I类相位匹配BBO晶体。
如图4所示，多周期太赫兹脉冲发生装置12包括沿着飞秒激光脉冲出射方向依次设置的5mm长的MgO:PPLN晶体25(周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体)和分区波片27。
如图5所示，单周期太赫兹脉冲发生装置8包括沿着飞秒激光脉冲2出射方向依次设置的光栅28、透镜30和铌酸锂晶体31，第一紫外激光脉冲7经光栅28的反射后产生倾斜波前的紫外激光脉冲29，倾斜波前的紫外激光脉冲29入射穿过透镜30和铌酸锂晶体31上。
如图6所示，太赫兹加速系统18、太赫兹聚焦系统19和太赫兹压缩系统20都由圆波导和耦合锥组成。圆波导的截面圆孔直径为5μm-30μm，长度为5μm到2cm，介电层为氧化铝，介电层厚度为50μm到200μm；耦合锥位于圆柱波导的两端，将多周期太赫兹脉冲耦合进入、离开波导。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，其特征在于：
包括飞秒激光器（1）、紫外激光脉冲发生装置（3）、第一反射镜（5）、分束镜（6）、单周期太赫兹发生装置（8）、第二反射镜（10）、多周期太赫兹发生装置（12）、相机（23）、真空腔室（24）、以及在真空腔室（24）中沿光路依次设置的直流加速系统、开孔离轴抛物面镜（17）、太赫兹电子束操纵系统、太赫兹偏转系统（21）和荧光屏（22）；
所述单周期太赫兹发生装置（8）包括沿着第一紫外激光脉冲（7）出射方向依次设置的光栅（28）、透镜（30）和铌酸锂晶体（31）；
所述多周期太赫兹发生装置（12）包括沿着第二紫外激光脉冲（11）出射方向依次设置MgO:PPLN晶体（25）和分区波片（27）；
所述紫外激光脉冲发生装置（3）包括沿着飞秒激光脉冲出射方向依次设置的倍频晶体、群速度补偿晶体、零阶双波片、和频晶体以及分光棱镜；
飞秒激光器（1）出射的飞秒激光脉冲依次通过紫外激光脉冲发生装置（3）、第一反射镜（5）和分束镜（6），经分束镜（6）反射后的一束第一紫外激光脉冲（7）进入单周期太赫兹发生装置（8），经分束镜（6）折射后的另一束第二紫外激光脉冲（11）进入多周期太赫兹发生装置（12）；
单周期太赫兹发生装置（8）产生的单周期太赫兹脉冲（9）经第二反射镜（10）反射后进入太赫兹偏转系统（21）；
多周期太赫兹发生装置（12）产生的多周期太赫兹脉冲（13）经开孔离轴抛物面镜（17）反射后进入太赫兹电子束操纵系统；
所述直流加速系统用于向开孔离轴抛物面镜（17）出射电子脉冲（15）；
所述太赫兹电子束操纵系统包括沿光路依次设置的太赫兹加速系统（18）、太赫兹聚焦系统（19）和太赫兹压缩系统（20）；
经太赫兹电子束操纵系统操纵后的电子脉冲（15）与单周期太赫兹脉冲（9）同时入射至太赫兹偏转系统（21），太赫兹偏转系统（21）用于加强单周期太赫兹脉冲（9）中的场强，使电子脉冲受场强力后偏转到荧光屏（22）上；
所述太赫兹偏转系统（21）包括U形波导，所述U形波导前面（a）、后面（b）及一侧面（c）开口，上面（d）、下面（e）及另一侧面（f）封闭，其前后开口正对电子束运动方向，其一侧面开口为喇叭状，且喇叭状的侧面开口正对单周期太赫兹脉冲运动方向；
所述相机（23）设置在真空腔室（24）外部，用于记录荧光屏（22）上所成的条纹像；
所述直流加速系统和多周期太赫兹发生装置（12）的光路位置设定条件为：直流加速系统产生的电子脉冲和多周期太赫兹发生装置（12）产生的多周期太赫兹脉冲同时到达太赫兹电子束操纵系统；
所述单周期太赫兹发生装置（8）的光路位置设定条件为：单周期太赫兹发生装置（8）产生的单周期太赫兹脉冲与直流加速系统产生的电子脉冲同时到达太赫兹偏转系统（21）。
2.根据权利要求1所述的全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，其特征在于：所述太赫兹加速系统（18）、太赫兹聚焦系统（19）和太赫兹压缩系统（20）均为圆波导，且圆波导两端均同轴设置有耦合锥。
3.根据权利要求2所述的全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，其特征在于：所述圆波导的截面圆孔直径为5μm-30μm，长度为5μm到2cm，介电层为氧化铝，外层为铜，介电层厚度为50μm到200μm；
所述耦合锥的介电层为氧化铝，外层为铜，介电层厚度为50μm到200μm。
4.根据权利要求3所述的全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，其特征在于：所述太赫兹偏转系统（21）用于抵消太赫兹波中磁场、增强太赫兹波中电场。
5.根据权利要求1所述的全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，其特征在于：所述直流加速系统包括光电阴极（14）和阳极（16），所述阳极（16）的狭缝正对光电阴极（14）设置。
6.根据权利要求1所述的全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统，其特征在于：所述倍频晶体为厚度0.2mm、切割角29.2°的I类相位匹配BBO晶体；群速度补偿晶体为厚度0.2mm、切割角29.2°的I类相位匹配BBO晶体；和频晶体为厚度0.1mm、切割角44.3°的I类相位匹配BBO晶体。
7.根据权利要求1-6任一所述的全太赫兹驱动的电子束操纵和表征系统的电子束操纵和表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）激光及电子束的产生
1.1）飞秒激光进入紫外激光脉冲发生装置（3）产生紫外激光脉冲（4），经分束镜（6）分为两束紫外激光脉冲，并分别产生单周期太赫兹脉冲（9）和径向偏振的多周期太赫兹脉冲（13）；
1.2）光电阴极（14）产生电子脉冲（15）；
2）激光和电子脉冲的同步
2.1）使径向偏振的多周期太赫兹脉冲（13）和电子脉冲（15）同步，然后对多周期太赫兹脉冲（13）进行准直和聚焦，再对电子脉冲（15）进行加速、聚焦、压缩，得到压缩后的电子脉冲（15）；
2.2）再使单周期太赫兹脉冲（9）和经压缩后电子脉冲（15）的同步；
3）同步后的单周期太赫兹脉冲（9）入射至U形波导的另一侧面（f）上，同步后的电子脉冲入射至U形波导上面（d）和下面（e）形成的场强空间，使入射的单周期太赫兹脉冲（9）的磁场抵消，入射的单周期太赫兹脉冲（9）的电场增强；
4）然后将电子脉冲偏转到荧光屏（22）上不同的位置，相机（23）记录所成的条纹像。
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