推广位（非商务）
美国能源部SLAC国家加速器实验室
撰稿 | 陈家明
01
导读
近日，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室的Emma Snively与其所带领的团队在短平行板波导结构（PPWG）中，通过准单周期强太赫兹辐射的驱动首次实现了相对论电子束的压缩，并校正了电子束的定时抖动。
这项技术显著提升了基于电子束的超快电子衍射类应用，在超快科学技术和其它飞秒级电子束的加速器应用中，为实现前所未有的时间分辨率提供了关键一步。 02
背景介绍
基于电子束的超快技术的发展使探测灵敏度达到了一个空前的水平，例如泵浦-探测超快电子衍射的技术仅通过几十飞秒的电子束长度，便可以实现亚埃级的空间分辨率和100飞秒的时间分辨率。
“电子相机”即超快电子衍射仪（MeV-UED）的工作原理是朝目标物体发射接近光速的高能电子束，并记录电子与目标原子之间相互作用时的散射情况。
电子束的长度决定了电子相机的快门速度，电子束越短，它们在清晰图像中捕捉到的运动就越快。
为了提高仪器的分辨率，研究者们希望一束电子束中的所有电子尽可能地同时击中一个目标，早些年他们使用射频压缩的方法，通过无线电波来产生更短的电子束，但同时也带来了更强烈的抖动。
SLAC的Emma Snively团队使用太赫兹脉冲的方法缩短了电子束的长度，同时也校正了电子束的抖动，为电子相机分辨率的优化提供了一种新的解决方法。
抖动（Jitter）：无线电波会使每一束电子产生稍微不同的能量，使得到达目标的每束电子束速度不同，这种时间变化称为抖动，它降低了研究人员研究快速过程和准确记录目标如何随时间变化的能力。 03
创新研究
Emma团队的方法是将激光束分成两束来解决这个问题。用一束光击中铜电极，用来产生电子束，另一束光产生太赫兹辐射脉冲（图1），用来缩短电子束。由于两束光由同一束激光产生的，两者彼此同步，减少了光束间的时间抖动。
使用短路的平行板波导（Parallel-plate Waveguide）耦合相对论电子束和正交传播的THz脉冲，示意图如下图所示。
图1. 太赫兹驱动的压缩和条纹设置的真空组件示意图：电子束通过平行板波导压缩器时，正交传播的THz脉冲会产生能量啁啾，从而在随后的漂移过程中出现速度聚束。随后，光束在聚焦到金属缝隙中时，通过第二个太赫兹脉冲穿过OAP镜，进入共线传播，此时，THz脉冲给光束施加横向动量反冲 THz源1沿z轴极化；THz源2沿y轴极化 图1装置中的相对论电子束（e beam）的操控和表征是通过与800nm激光脉冲的光整流产生的准单周期太赫兹脉冲相互作用而实现的。 文章中的THz驱动压缩技术利用了PPWG结构，在THz脉冲进入结构的地方，圆锥形绝热号角与自由空间THz光束轮廓相匹配，显著提高了耦合效应。
图2 压缩机结构的横截面图，传入的太赫兹脉冲沿z轴极化 右图为作用区域的特写图束隧道直径为250μm。PPWG间隙为210μm
如图2所示，当电子束穿过PPWG间隙时，在粒子束的不同位置处所经历的洛伦兹力的积分是由与THz场的时间重叠所决定的。
理想情况下，该光束被注入的相位具有最大的THz电场梯度，通常在波型的过零点附近，从而产生最强的近线性纵向能量啁啾，从而实现光束的有效速度聚束。
THz脉冲的时间分布决定了相位接收窗口，对于到达此窗口内的光束，”后期”束的能量相对于”早期”束的能量增加，压缩器的相互作用也减少了后续漂移过程的定时抖动。
这种效应利用了THz脉冲与使用相同初始激光脉冲产生的电子束之间固有的同步时间。
对比未压缩光束与最大压缩光束的图像，如图3（a）（c）所示，图3（b）（d）为相适应的预测分布。在图3（c）中”THz on”的压缩状态下，信号的抖动情况得到了很好的抑制。
图3 未压缩光束与最大压缩光束比较
对比图3中（e）-（f）和（g）-（h），压缩前后电子束长度的平均值分别为105±19 fs rms和39±7fs rms。
再对比图3中的（i）-（j）和（k）-（l），压缩前后的平均定时抖动分别为76fs rms和31fs rms。在THz脉冲的效果下，电子束被压缩，定时抖动得到了很好的校正。
图4 粒子加速器（压缩器）
这项工作的一个关键创新是创造了一个粒子加速器腔（图4），即前文中的压缩器。这块压缩器小巧到可以放在手上，在压缩器内部，THz脉冲缩短电子束，并给予其一个有效的推动。 以上研究表明，在平行板波导中由激光产生的THz脉冲所驱动的压缩效应可以有效地减小束长度，同时可以校正相对论光束的抖动，从而显著提高基于电子束的超快技术的性能。作者认为，这种压缩作用引起的光束的横向偏转可以用转向磁铁进行校正。
在实际应用方面，通过增加输入THz的脉冲能量，可以直接提高压缩强度，是实现超短电子束的关键步骤，从而实现阿秒级的UED测量。
作者及其团队表示，最终的目标是将电子束压缩到大约1飞秒。
科学家们可以通过该仪器观察到原子行为在基本化学反应中的时间尺度，比如氢键断裂和单个质子在原子间转移等，这些都是人们尚未完全了解的。
该文章发表在 Physical Review Letters(《物理评论快报》)杂志，题为”Femtosecond Compression Dynamics and Timing Jitter Suppression in aTHz-driven Electron Bunch Compressor”，Emma Snively为第一作者兼通讯作者。▶【点这里查看原文】
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