基于太赫兹波的控制和检测压缩电子脉冲脉宽装置的制作方法

本发明涉及一种电子脉冲控制和测量技术，特别涉及一种基于太赫兹波的控制压缩和检测电子脉冲脉宽装置。

背景技术：

如今，以电子脉冲调控为基础的超快诊断工具，在时间分辨超快现象研究中发挥着举足轻重的作用。一般情况下，即使没有任何空间电荷，电子脉冲加速后由于色散，不可避免地有一个时域上的脉冲展宽。因此，为了到达声子或电子时间尺度的衍射，电子脉冲压缩是必不可少的。此外，实现电子脉冲在时域上的压缩也是提高条纹相机，超快电子衍射仪等超快检测仪器时间分辨能力的关键。

目前所研究的产生超短电子脉冲的途径分为两种：一种是利用电场或磁场对电子脉冲时间域或空间域内的调制，如采用新型结构的光学电子枪的设计，或引入电子脉冲展宽抑制电极等；另一种是采用瞬态调制型电场，对电子进行有差别的瞬态调制，以及利用强激光场对电子脉冲的质动力学作用而从待调制的电子脉冲中分离出阿秒量级电子脉冲，以达到时域压缩电子脉冲的目的。

但是这些方法或因价钱昂贵，或因精密度要求过高，或因不能满足变像管条纹相机，超快电子衍射仪等超快诊断研究应用领域的相关要求而存在一定的局限性。例如，利用电场及磁场对电子脉冲脉宽的调制属于静场调制，具有相对较高的稳定性和易操作性，但由于其多为无差别调制，电子脉冲脉宽压缩的效率相对较低，难以满足高分辨率条纹相机等超快诊断设备的应用要求；相比之下，利用瞬态调制电场对电子脉冲脉宽的调制属于时变场调制，这种方法是对空间电荷有针对性的作用，因而具有很高的压缩效率，适用于多种领域。此外，电子脉冲的高效压缩也为泵浦-探测电子衍射成像等新领域提供了研究思路，但目前由于技术，器件等受限，稳定性不足，实施可行性较差。

技术实现要素：

本发明是针对目前全光控制以及超快电子脉冲的稳定性差，对电子脉冲的脉宽压缩能力不够，不能达到实际应用和测试要求的问题，提出了一种基于太赫兹波的控制和检测压缩电子脉冲脉宽装置，利用微结构谐振腔来实现太赫兹场对电子脉冲的压缩及条纹检测作用。装置简单，操作容易，适用范围广。

本发明的技术方案为：一种基于太赫兹波的控制和检测压缩电子脉冲脉宽装置，包括激光光源，第一单色分束片，太赫兹波发射系统，高阻硅片，第一延迟模块，电子脉冲检测系统，第一蝶形金属谐振器，太赫兹波高反射镜组，打孔离轴抛物面镜，二次谐波倍频晶体，反射镜组，第二延迟模块，电子源，太赫兹透镜，第二蝶形金属谐振器，可移动第四反射镜及电子脉冲应用系统，从激光光源输出的超短脉冲激光经过第一单色分束片，透射部分进入太赫兹波发射系统，输出准直的太赫兹波，经高阻硅片分束，分束后的反射太赫兹波经过太赫兹透镜后聚焦到第二蝶形金属谐振器上，另一束透射太赫兹波经过太赫兹波高反射镜组和第一延迟模块，再通过打孔离轴抛物面镜聚焦到第一蝶形金属谐振器上；经过第一单色分束片的另一束反射的超短激光脉冲通过二次谐波倍频晶体后经过反射镜组和第二延迟模块进入电子源，从而产生电子脉冲，所产生的电子脉冲与经过太赫兹透镜的太赫兹波共同会聚到第二蝶形金属谐振器上，太赫兹波激发第二蝶形金属谐振器产生共振，共振提供随时间变化的力分量，方向平行于电子束，压缩电子脉冲的上升沿和下降沿，获得脉宽变窄的电子脉冲，输出进入电子脉冲应用系统；

压缩后的电子脉冲经过可移动第四反射镜再穿过打孔离轴抛物面镜与经过第一延迟模块的太赫兹脉冲正入射会聚于第一蝶形金属谐振器，第一蝶形金属谐振器放置垂直于光束传播方向，太赫兹波激发第一蝶形金属谐振器产生共振，产生横向时间轴的分力，作用于压缩后的电子脉冲进入电子脉冲检测系统，对压缩后的电子脉冲进行检测。

所述第一蝶形金属谐振器和第二蝶形金属谐振器为金属铝箔基底上有蝴蝶形状的微几何结构阵列的金属谐振器，金属谐振器整体厚度为30μm，蝴蝶形状结构厚度为70nm。

所述第一太赫兹波高反射镜，第二太赫兹波高反射镜以及第一延迟模块所用的太赫兹波高反射镜其表面镀有金或银或铝金属膜。

所述二次谐波倍频晶体选择具有倍频效应的非线性光学晶体。

所述太赫兹透镜选择聚甲基戊烯透镜、特弗龙透镜和高阻硅透镜中的任意一种。

本发明的有益效果在于：本发明基于太赫兹波的控制和检测压缩电子脉冲脉宽装置，装置简单，操作方便，易于实现。相比于目前的电子脉冲压缩方法和技术来说，由于太赫兹控制场源和电子脉冲产生源来自于同一个超快激光，可以得到近乎完美的时间同步结果，从而提供了从本质上超过微波激光同步表现的性能，不需要锁定电子。整个系统装置还具有抖动小，压缩倍率高，易于仿真等优点。

附图说明

图1为本发明基于太赫兹波的控制和检测压缩电子脉冲脉宽装置实施例一示意图；

图2为本发明基于太赫兹波的控制和检测压缩电子脉冲脉宽装置实施例二示意图；

图3为本发明装置中蝶形金属谐振器正视图。

具体实施方式

将一束超快激光脉冲分束后，一束通过太赫兹发射源，产生太赫兹波；另一束经过二次谐波倍频晶体后入射在电子源上，产生电子脉冲，电子脉冲与会聚后的太赫兹波共同入射到蝶形金属谐振器上,利用太赫兹电场在金属平面压缩电子脉冲时域宽度以及进行条纹检测。由于太赫兹控制场源和电子脉冲产生源来自于同一个超快激光，可以得到近乎完美的时间同步结果，从而提供了从本质上超过微波激光同步表现的性能，不需要锁定电子。

如图1所示为基于太赫兹波的控制和检测压缩电子脉冲脉宽装置实施例一示意图，采用电子源发射电子脉冲的半高全宽为930fs，实现方案。装置由激光光源1，第一单色分束片2，太赫兹波发射系统3，高阻硅片4，第一延迟模块5，电子脉冲检测系统6，第一蝶形金属谐振器7，第一太赫兹波高反射镜8，第二太赫兹波高反射镜9，打孔离轴抛物面镜10，二次谐波倍频晶体11，第一反射镜12，第二反射镜13，第三反射镜14，第二延迟模块15，电子源16-1，太赫兹透镜17，第二蝶形金属谐振器18，可移动第四反射镜19，电子脉冲应用系统20组成。从激光光源1输出的超短脉冲激光经过第一单色分束片2，透射部分进入太赫兹波发射系统3，输出准直的太赫兹波，经高阻硅片4分束，分束后的反射太赫兹波经过太赫兹透镜17后聚焦到第二蝶形金属谐振器18上，另一束透射太赫兹波经过太赫兹波高反射镜组（8、9）和第一延迟模块5，再通过打孔离轴抛物面镜10聚焦到第一蝶形金属谐振器7上。经过第一单色分束片2的另一束反射的超短激光脉冲通过二次谐波倍频晶体11后经过反射镜组（12、13、14）和第二延迟模块15进入电子源16-1，从而产生电子脉冲，此时电子脉冲未被太赫兹场压缩，半高全宽可达930fs，所产生的电子脉冲与经过太赫兹透镜17的太赫兹波共同会聚到第二蝶形金属谐振器18上，电子脉冲和太赫兹波传播进入方向均与第二蝶形金属谐振器成45度角。太赫兹波激发第二蝶形金属谐振器产生共振，共振提供随时间变化的力分量，方向平行于电子束，能有效地分别压缩电子脉冲的上升沿和下降沿，获得脉宽变窄的电子脉冲，压缩后的脉冲经过下移的可移动第四反射镜19再穿过打孔离轴抛物面镜10与经过第一延迟模块5的太赫兹脉冲正入射会聚于第一蝶形金属谐振器7，第一蝶形金属谐振器7放置垂直于光束传播方向，同理，太赫兹波激发第一蝶形金属谐振器7产生共振，产生横向时间轴的分力，作用于压缩后的电子脉冲以便进入电子脉冲检测系统6，进行条纹检测，电子脉冲检测系统6检测得到电子脉冲分辨率等信息。检测符合要求后，将可移动第四反射镜19上移，使满足压缩要求的电子脉冲从第二蝶形金属谐振器18直接进入电子脉冲应用系统20。此装置中，压缩效应得到的最短脉冲的半高全宽可达到75fs，比原本930fs小12倍，甚至比基本声子和分子振动的半周期都要小。具有很高的应用价值。

如图2所示为基于太赫兹波的控制和检测压缩电子脉冲脉宽装置实施实例二示意图，采用脉冲持续时间低于100fs的优质电子束以降低仿真与实验结果在条纹阶段吻合度稍差的问题。即用一个更小的电子源发射电子脉冲的半高全宽为100fs（如果光子发射能量与功函数匹配的话100fs电子源是可以实现的），实现方案。装置由激光光源1，第一单色分束片2，太赫兹波发射系统3，高阻硅片4，第一延迟模块5，电子脉冲检测系统6，第一蝶形金属谐振器7，第一太赫兹波高反射镜8，第二太赫兹波高反射镜9，打孔离轴抛物面镜10，二次谐波倍频晶体11，第一反射镜12，第二反射镜13，第三反射镜14，第二延迟模块15，电子源16-2，太赫兹透镜17，第二蝶形金属谐振器18，可移动第四反射镜19，电子脉冲应用系统20组成。从激光光源1输出的超短脉冲激光经过第一单色分束片2，一部分进入太赫兹波发射系统3，输出准直的太赫兹波，经高阻硅片4分束，分束后的反射太赫兹波经过太赫兹透镜17后聚焦到第二蝶形金属谐振器18上，另一束透射太赫兹波经过太赫兹波高反射镜组（8、9）和第一延迟模块5，再通过打孔离轴抛物面镜10聚焦到第一蝶形金属谐振器7上。经过第一单色分束片2的另一束反射超短激光脉冲经过二次谐波倍频晶体11后经反射镜组（12、13、14）和第二延迟模块15进入电子源16-2，从而产生电子脉冲，此时电子脉冲未被太赫兹场压缩，半高全宽为100fs，所产生的电子脉冲与经过太赫兹透镜17的太赫兹波共同会聚到第二蝶形金属谐振器18上。太赫兹波激发谐振器产生共振，提供随时间变化的力分量，方向平行于电子束，能有效地分别压缩电子脉冲的上升沿和下降沿，获得脉宽变窄的电子脉冲，压缩后的脉冲经过下移的可移动第四反射镜19再穿过打孔离轴抛物面镜10与经过第一延迟模块5的太赫兹脉冲正入射会聚于第一蝶形金属谐振器7，同理，太赫兹波激发谐振器产生共振，产生横向时间轴的分力，作用于压缩后的电子脉冲以便进入电子脉冲检测系统6，电子脉冲检测系统6检测得到的电子脉冲的分辨率等信息。检测符合要求后，将可移动第四反射镜19上移，使满足压缩要求的电子脉冲从第二蝶形金属谐振器18直接进入电子脉冲应用系统20。此方案中，压缩效应得到的最短脉冲的半高全宽可达到3fs，这将是比目前用单电子方法产生的28fs脉宽更小的数量级，将有可能应用于泵浦-探测电子衍射和成像等。具有广阔的应用前景。

所述太赫兹波发射系统3，可以选择利用非线性效应产生太赫兹波，如气体等离子体辐射太赫兹波；或利用光整流原理产生太赫兹波，如铌酸锂晶体辐射太赫兹波；或光电导天线产生太赫兹波，如用低温生长的砷化镓制备光电导天线辐射太赫兹波。

所述第一太赫兹波高反射镜8，第二太赫兹波高反射镜9以及第一延迟模块5所用的太赫兹波高反射镜其表面镀有金或银或铝金属膜。

所述第一蝶形金属谐振器7和第二蝶形金属谐振器18为金属铝箔基底上有蝴蝶形状的微几何结构阵列的金属谐振器，如图3所示，金属谐振器整体厚度约为30μm，微观蝴蝶形状结构厚度约为70nm，可利用光刻等工艺实现。金属铝箔用作太赫兹波的反射镜，透过金属铝箔的电子遇到电磁场的突然消光，会发生净偏转。金属铝箔与入射太赫兹波，电子束组合角度的选择取决于时间依赖的纵向、横向偏转要求。

所述二次谐波倍频晶体11可选择具有倍频效应的非线性光学晶体，如铌酸锂晶体，偏硼酸钡晶体，三硼酸锂晶体等。

所述太赫兹透镜17可以是聚甲基戊烯（TPX）透镜，特弗龙透镜，高阻硅透镜等。