太赫茲脈衝啁啾操控電子束實現更短且更穩定的相對論電子束

2020-11-23 上海交通大學新聞網

上海交通大學物理與天文學院嚮導教授和張杰院士領導的課題組近期與同行合作，利用太赫茲脈衝與相對論電子束在介質波導中的相互作用操控電子束能量分布，實現了對相對論電子束脈寬與時間抖動的同步壓縮。該工作作為「編輯推薦」（Editors' Suggestion）文章發表在《物理評論快報》 【L. Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 124, 054802 (2020)】；作為本期的亮點文章之一（Featured in Physics），Physics以『Making Electron Pulses Shorter and Steadier（讓電子束更短更穩定）』為題目對該工作進行了特別介紹。

超短電子束在超快電子衍射、自由電子雷射、逆康普頓散射X光源、雷射或太赫茲驅動的先進加速等研究中有著廣泛的應用，因此如何產生超短電子束脈衝並實現與雷射脈衝高度同步是目前加速器物理和超快科學的重要挑戰之一。傳統上使用微波場對電子束脈衝進行壓縮會由於微波的相位噪聲導致壓縮後的電子束存在較大時間抖動，針對這個挑戰，本工作將「啁啾」的概念應用於電子束脈寬的壓縮並利用太赫茲波段的介質波導代替微波諧振腔，實現了利用太赫茲場操控電子束能量分布，並進而實現了對電子束脈寬的壓縮。

利用太赫茲脈衝壓縮電子束脈寬的原理如圖1中所示，首先利用太赫茲與電子束的相互作用操控電子束能量分布並產生負能量啁啾（電子束頭部能量低於尾部），進一步經過一段漂移節後，尾部的電子由於速度更快，會追上頭部的電子實現脈寬壓縮。該方法與雷射領域的啁啾脈衝放大/壓縮技術（獲2018年諾貝爾物理學獎）非常類似：電子束能量啁啾對應於雷射的頻率啁啾，電子束壓縮的直線節對應於啁啾雷射脈衝壓縮中的光柵。

圖1. 電子束脈寬壓縮（上）及啁啾雷射脈衝壓縮（下）示意圖

與微波驅動的電子束脈寬壓縮相比，太赫茲驅動的壓縮技術具有兩個明顯的優勢。首先，電子束的能量啁啾正比於用於操控電子束能量的電磁場頻率；太赫茲由於頻率比微波高100-1000倍，因此產生同樣的能量啁啾所需要的場強大幅降低，可將微波驅動壓縮技術所需的高壓調製器和速調管等系統大幅縮小，這將大幅降低脈寬壓縮的造價。其次，由於用於壓縮電子束的太赫茲由雷射在晶體中產生，因此其與雷射嚴格同步，有效規避了微波的相位抖動問題；相應的壓縮後的電子束在脈寬壓縮的同時其時間抖動也會得到同比例降低。圖2中為太赫茲驅動電子束壓縮前和壓縮後的結果對比，可以看到約4倍的壓縮效果，這展示了將此電子束壓縮技術用於超快電子衍射研究原子尺度超快動力學過程時可獲得更高時間解析度的可能性，而將此電子束壓縮技術用於太赫茲驅動的電子加速時則可能獲得更高的能量穩定性和更低的能散。

圖2. 太赫茲驅動脈寬壓縮前（左）和壓縮後（右）電子束的時域分布

本工作主要由上海市科委重大項目（No. 18JC1410700）、基金委國家重大科研儀器研製項目（No. 11327902）、基金委創新群體項目（No. 11721091）、基金委傑青項目（No. 11925505）和科技部青年973項目（No. 2015CB859700）資助，論文第一作者為博士後趙凌榮。

文章連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.054802

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