一种太赫兹驱动的亚飞秒时间分辨条纹相机的制作方法

本实用新型专利属于超快诊断领域，具体涉及一种太赫兹驱动的亚飞秒时间分辨条纹相机。

背景技术：

超快电子的产生、运行轨迹的操纵以及其时间特性的表征是目前超快研究领域的关键技术，而且一般与超快激光技术紧密相关。

目前，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压缩到几百fs甚至几fs的量级，然而对具有这种时间精度的电子脉冲的测量仍面临着挑战。尤其是在X射线自由电子激光的种子源、超快电子衍射和电子在原子中的二次散射等实验中，全面了解电子脉冲的时间特性是实验测试的先决条件。因此，实现亚飞秒级电子脉冲时间特性的测量具有重要意义。条纹相机是实现超快电子脉冲表征的重要工具之一，其将一维超快时间信息转换为空间信息，从而反演测得超快光脉冲的时间特性。目前用于超快电子束时间特性测量的条纹相机有：

文献【1】涉及一种用于中低能电子(约30keV)脉冲的时间特性测量的条纹相机，其时间分辨率为150fs。偏转系统采用的是毫米级的微小平行偏转板，间距仅为0.5mm，并由脉冲电压激发GaAs光导开关来提供偏转电压。由于GaAs光导开关可承受的脉冲电压的最大值有限，进一步提高这种条纹相机的时间分辨率极其困难。另外，由于其工作在累积模式，时间抖动对其时间分辨率有重要影响。

文献【2】涉及一种可用于中能或高能(keV或MeV)电子束时间特性测量的条纹相机，其时间分辨率在单发模式下可以达到亚100fs。该装置采用射频腔(rf cavity)实现对高能电子的偏转，然而射频场与电子脉冲之间的相位抖动问题限制了累积模式下的时间分辨率，一般大于100fs。同时，射频偏转高能电子束利用高功率射频场，需要昂贵复杂的电源驱动系统。

因此，在超快电子束时间特性表征领域迫切需要研发一种时间分辨更高、适用范围更广(适用于非相对论性与相对论性电子)、造价更低以及结构更加简单的条纹相机。

【1】A compact streak camera for 150fs time resolved measurement of bright pulses in ultrafast electron diffraction.G.H.Kass ier,et al.Rev.Sci.Instrum.81,105103(2010)；

【2】rf streak camera based ultrafast relativistic electron diffraction.P.Musumeci,et al.Review of Scientific Instruments 80,013302(2009)；

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本实用新型提供一种可以探测非相对论性与相对论性(keV到MeV)超快电子脉冲的时间特性，分辨率可达几个飞秒的量级，同时结构简单的太赫兹驱动电子偏转的亚飞秒时间分辨条纹相机。

本实用新型的具体技术方案是：

本实用新型提供了一种太赫兹驱动的亚飞秒时间分辨条纹相机，包括飞秒激光器、分束镜、紫外光脉冲发生装置、电子枪、磁聚焦装置、偏转系统、荧光屏以及相机；

飞秒激光器出射的飞秒激光通过分束镜后一束飞秒激光进入紫外激光脉冲发生装置，另一束飞秒激光进入偏转系统；

电子枪用于将紫外光脉冲发生装置生成的紫外光脉冲转化为电子脉冲并对电子脉冲进行加速；

偏转系统包括太赫兹脉冲发生装置、主真空腔室、荧光屏、准直孔板以及二级天线；主真空腔室前端开设小孔，后端安装荧光屏；主真空腔室从前至后依次安装准直孔板以及二级天线；主真空腔室的侧部开设有第一真空法兰；太赫兹脉冲发生装置将产生的太赫兹脉冲依次通过反射镜、第一真空法兰发送至二级天线的间隙中形成偏转电场；

电子枪和偏转系统之间安装磁聚焦装置；

主真空腔室外部正对荧光屏的位置安装EBCCD相机。

当使用该相机用于表征非相对论性电子时DC电子枪的具体结构包括DC电子枪腔室、第一透镜、阴极组件以及阳极；DC电子枪腔室的前端安装透镜，后端设置阳极；DC电子枪腔室内安装阴极组件；阴极组件和阳极生成加速电场；所述磁聚焦装置为DC枪磁聚焦装置。

上阴极组件包括阴极架、金属阴极以及阴极基底；所述金属阴极安装在阴极基底上，阴极基底通过阴极支架安装在DC电子枪腔室内。

具体的是：所述阴极基底为蓝宝石或氟化镁。

当使用该相机用于表征相对论性超快电子脉冲时电子枪为Rf电子枪；Rf电子枪包括射频腔以及安装在射频腔内壁上的光电阴极；所述磁聚焦装置为RF枪磁聚焦装置。

具体来说：太赫兹脉冲发生装置包括沿着沿着飞秒激光脉冲出射的方向依次设置的光栅、第二透镜以及铌酸锂晶体。

具体来说：所述紫外光脉冲发生装置包括沿着飞秒激光脉冲出射的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。

上述二级天线的长度为40μm-80μm，宽为10μm-20μm，间隙为5μm-20μm。

本实用新型优点在于：

1、本实用新型采用紫外光脉冲发生装置、电子枪、磁聚焦装置、偏转系统、荧光屏、EBCCD相机以及太赫兹脉冲发生装置形成的条纹相机可使电子束能量达到keV级或MeV的高能电子束，大幅度提高了检测的飞秒激光脉冲的量级。

2、本实用新型提供的条纹相机采用的太赫兹驱动的二极天线作为偏转系统，偏转系统结构简单，仅改变二极天线的几何结构，共振频率就可以在100GHz到几THz的范围内变化，从而所产生偏转电场的上升时间可在几百飞秒到几皮秒的范围内变化，该条纹相机可探测非相对论性和相对论性(keV和MeV)超快电子束，可在单发模式下表征超快电子束的时间特性，且太赫兹脉冲与电子束具有更好的同步性，时间分辨率可以达到几飞秒量级。

附图说明

图1为使用DC电子枪太赫兹驱动的亚飞秒时间分辨条纹相机结构示意图；

图2为太赫兹脉冲产生装置结构示意图；

图3为使用RF电子枪太赫兹驱动的亚飞秒时间分辨条纹相机结构示意图；

图4为紫外光脉冲发生装置结构示意图。

附图标记如下：

1、飞秒激光脉冲；2、太赫兹脉冲；3、紫外光脉冲；4、第一透镜；5、DC电子枪腔室；6、阴极支架；7、阴极基底；8、金属阴极；9、阳极；10、DC枪磁聚焦装置；11、真空管道；12、主真空腔室；13、准直孔；14、二级天线；15、第一真空法兰；16、荧光屏；17、EBCCD相机；18、反射镜；19、第二真空法兰；20、激光腔室；21、光电阴极；22、射频腔；23、RF枪磁聚焦装置；24、超短电子脉冲；25、光栅；26、第二透镜；27、铌酸锂晶体；28、倍频晶体；29、群速度补偿晶体；30、零阶双波片；31、和频晶体、32、飞秒激光器；33、分束镜、34-紫外激光脉冲发生装置、35-偏转系统、36-太赫兹脉冲发生装置、37-反射镜、38-分光棱镜。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型采用两种电子枪的实施例进行详细阐述。

实施例1：

如图1和图2所示，该条纹相机包括飞秒激光器32、分束镜33、紫外光脉冲发生装置34、DC电子枪、DC枪磁聚焦装置10、偏转系统35、荧光屏16以及EBCCD相机17；

飞秒激光器32出射的飞秒激光(a)通过分束镜33后一束飞秒激光进入紫外激光脉冲发生装置34，另一束飞秒激光(b)进入偏转系统35；

DC电子枪包括DC电子枪腔室5、第一透镜4、阴极组件以及阳极9；DC电子枪腔室5的前端安装第一透镜4，后端设置阳极9；DC电子枪腔室5内安装阴极组件；阴极组件和阳极9生成加速电场；阴极组件包括阴极架6、金属阴极8以及阴极基底7；金属阴极8安装在阴极基底7上，阴极基底7通过阴极支架6安装在DC电子枪腔室5内。

偏转系统35包括太赫兹脉冲发生装置36、反射镜37、主真空腔室12、荧光屏16、准直孔板13以及二级天线14；主真空腔室12前端开设小孔，后端安装荧光屏16；主真空腔室12从前至后依次安装准直孔板13以及二级天线14；主真空腔室12的侧部开设有第一真空法兰15；太赫兹脉冲发生装置将产生的太赫兹脉冲2依次通过反射镜37、第一真空法兰15发送至二级天线14的间隙中形成偏转电场；

DC电子枪腔室5和主真空腔室12之间安装DC枪磁聚焦装置10；

主真空腔室12外部正对荧光屏16的位置安装EBCCD相机17。

一束飞秒激光脉冲(a)经紫外光脉冲发生装置34产生紫外光脉冲3，紫外光脉冲3经透镜聚焦照射到DC电子枪腔室内的金属阴极8上，产生外光电效应，发射超快电子脉冲24，此过程可认为是瞬间完成的，超快电子脉冲24的时间展宽和空间分布与入射紫外光脉冲3相同。

超快电子脉冲24在DC电子枪腔室5内由其阳极9与金属阴极8之间的加速电场加速，再经过DC枪磁聚焦装置10聚焦，通过准直孔板13进入二极天线14的间隙；

在超快电子脉冲24产生的同时，另一束飞秒激光脉冲(b)经光栅25产生倾斜激光脉冲，并经透镜26会聚到铌酸锂(LiNbO₃)晶体27，发生光学整流效应，产生太赫兹脉冲2，此时二极天线14已由太赫兹脉冲2激发产生时变偏转电场，超快电子脉冲24在时变偏转电场的作用下，具有不同纵向位置(即不同时刻进入二极天线间隙)的电子，受到不同的偏转电场，从而被偏转到荧光屏16的不同位置，形成空间偏转扫描的条纹像，并由EBCCD相机17读取，实现待测光信号时间信息至空间信息的映射。

实施例2：

本实用新型不仅可以用于表征由DC枪加速的非相对论性电子，还可以对相对论性超快电子脉冲的时间特性进行表征，具体实施方式为采用RF加速枪实现对电子束的加速。图3所示为RF加速枪的结构示意图，

一束飞秒激光脉冲(a)经紫外光脉冲发生装置产生紫外光脉冲，紫外光脉冲将紫外激光脉冲通过第二真空法兰19(第二真空法兰均布在激光腔室外部，共四个)引入激光腔室；紫外光脉冲3经激光腔室20内反射镜18反射照射到射频室22内的光电阴极21上，发生外光电效应，产生于光脉冲具有同样时间和空间分布的超快电子脉冲24，超快电子脉冲24经射频腔加速，能量达到MeV，再经过RF枪磁聚焦装置23聚焦，通过准直孔板13进入二极天线14的间隙；

在超快电子脉冲24产生的同时，另一束飞秒激光脉冲(b)经光栅25产生倾斜激光脉冲，并经透镜26会聚到铌酸锂(LiNbO₃)晶体27，发生光学整流效应，产生太赫兹脉冲2，此时二极天线14已由太赫兹脉冲2激发产生时变偏转电场，超快电子脉冲24在时变偏转电场的作用下，具有不同纵向位置(即不同时刻进入二极天线间隙)的电子，受到不同的偏转电场，从而被偏转到荧光屏16的不同位置，形成空间偏转扫描的条纹像，并由EBCCD相机17读取，实现待测光信号时间信息至空间信息的映射。

需要说明的是：上述两个实施例中的紫外光脉冲发生装置34的结构如图4所示，具体包括沿着飞秒激光出射的方向依次设置的倍频晶体28、群速度补偿晶体29、零阶双波片30、和频晶体31以及分光棱镜38；紫外光脉冲发生装置包括沿着飞秒激光脉冲出射的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。