一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的装置和方法

本发明涉及涡旋电子束制备，特别涉及一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的装置和方法。

背景技术：

1、涡旋是自然界普遍存在的现象，如海洋环流、台风涡旋，甚至是液氦超流量子涡旋和超导量子磁涡旋，其中，具有轨道角动量(oam)的涡旋光，在量子纠缠、空间光通信、光学显微、粒子操控等众多领域发挥了重要作用，其能用于与物质相互作用可以提供样品更多的信息，为描绘物质的晶体结构、磁学和手性性质以及原子系统的内部动力学开辟了新的途径，也能为探索微观物质结构提供新的自由度。

2、目前产生涡旋电子束的过程几乎均发生在电子显微镜中。电子显微镜具有相干性较好的场发射电子源和优异的束流光学、电子学系统，但电子显微镜昂贵，产生涡旋电子束成本高、复杂不灵活，因此，越来越多人研究其它能实现电子束制备的方法和设备，但除去电子显微镜后的方法和设备制得的电子束相干性较低，难以满足使用人员需求。

3、所以急需发展一种新的装置和方法能够制备高相干性的涡旋电子束。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的装置和方法，以解决现有涡旋电子束制备中相干性较低的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了两大方面的解决手段，第一方面，本发明提供了一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，包括以下步骤：

3、s1，利用原子捕获机构捕获冷原子团，得到捕获后的冷原子团；

4、s2，利用电离激光照射所述捕获后的冷原子团，产生电子；

5、s3，启动加速电场，利用加速电场引出所述电子，得到引出的电子束；

6、s4，将所述电子束输送至相干性增加机构，得到相干性增大后的电子束；

7、s5，将所述相干性增大后的电子束传输至涡旋生成机构进行衍射，收集并得到涡旋电子束。

8、在第一方面的一些实施例中，在步骤s3与步骤s4之间，还设有以下步骤：利用准直约束机构对所述引出的电子束进行约束和准直，得到约束后的电子束，随后将所述约束后的电子束执行步骤s4。

9、在第一方面的一些实施例中，在步骤s1中，捕获后的所述冷原子团的温度为100～999μk。

10、在第一方面的一些实施例中，在步骤s3中，所述加速电场为直流电场。

11、在第一方面的一些实施例中，在步骤s5中，所述涡旋生成机构的栅格图案制备过程，包括以下步骤：将涡旋束和平面波相互干涉，得到叉形位错的干涉图样；根据所述涡旋波和所述平面波的相位差，将叉形位错的干涉图样振幅转换为相位全息的栅格图案。

12、在第一方面的一些实施例中，所述涡旋束的表达式为：a(r,z)exp(ilφ)；所述平面波的表达式为：b(r,z)exp(ikx sinθ+ikz cosθ)；式中，i表示复数，θ为平面波沿传播方向与z轴的夹角，a(r,z)为涡旋束的振幅，b(r,z)为平面波的振幅，l为拓扑荷，(r,φ,z)是圆柱坐标，k为波数。

13、在第一方面的一些实施例中，所述栅格图案的尺寸大小为1-100μm。

14、第二方面，本发明提供了一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的装置，其应用了第一方面的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，包含原子捕获机构、电离激光机构、电极机构、相干性增加机构、涡旋生成机构；所述原子捕获机构包括多个激光件和多个磁场件，多个所述激光件的射出光相互垂直并交汇形成于交汇点，多个所述磁场件布置于所述交汇点外侧以形成捕获磁场，所述交汇点设于所述捕获磁场内；所述电离激光机构的射出光对准所述交汇点；所述电极机构包括多个电极板，多个所述电极板布置于所述交汇点外侧，多个所述电极板相对布置以形成加速电场，所述交汇点设于所述加速电场内；沿电子的传输路径上，所述相干性增加机构和所述涡旋生成机构依次布置。

15、在第二方面的一些实施例中，还包括准直机构；所述准直机构包括束流管和磁透镜；沿电子的传输路径上，所述磁透镜和所述相干性增加机构依次设于所述束流管内。

16、在第二方面的一些实施例中，还包括探测机构；所述探测机构包括微通道板探测器、荧光屏和ccd相机(电荷耦合器件，charge coupled device)；沿电子的传输路径上，所述微通道板探测器、所述荧光屏和所述ccd相机依次设于所述涡旋生成机构远离所述相干性增加机构的一侧。

17、本发明较为突出的有益效果如下：

18、一、在第一方面，由于本方案的电子是通过激光与冷原子团照射电离产生的，产生得到的电子温度低，从而令电子形成束流后的横向相干长度就越大，其横向相干长度可达10nm量级，具有非常好的强相干性。

19、二、在第一方面，由于本方案的电子经过加速电场的引出，电子形成电子束，电子束传输至相干性增加机构，在此过程中，形成所需能量的高相干超冷电子束。

20、三、在第一方面，由于本方案的电子束输送至相干性增加机构，相干性增加机构采用slit skimmer，使得由冷原子形成的电子束的横向相干长度从nm量级的长度增加至数μm量级，大大提升了电子束的相干性。

21、四、在第二方面，由于本方案利用磁场和激光场捕获冷电子，并通过电离激光机构照射冷原子以形成电子束，电子束经过传输至相干性增加机构和涡旋生成机构，形成具有良好相干性的涡旋电子束，实现了利用较低成本、灵活性更强的装置制备涡旋电子束，摆脱了以往只能在电子显微镜中产生涡旋电子的限制，具有重要的研究意义和广阔的应用前景，且能够直接应用于直线电子加速器，以获得更高能量的涡旋电子束。

技术特征：

1.一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，其特征在于，在步骤s3与步骤s4之间，还设有以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，其特征在于，在步骤s1中，捕获后的所述冷原子团的温度为100～999μk。

4.根据权利要求1所述的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，其特征在于，在步骤s3中，所述加速电场为直流电场，所述直流电场的电压为100～1000v。

5.根据权利要求1所述的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，其特征在于，在步骤s5中，所述涡旋生成机构的栅格图案制备过程，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，其特征在于，

7.根据权利要求5所述的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，其特征在于，所述栅格图案的尺寸大小为1-100μm。

8.一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的装置，其特征在于，应用权利要求1至权利要求7任一项所述的基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的方法，

9.根据权利要求8所述的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的装置，其特征在于，

10.根据权利要求8所述的一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的装置，其特征在于，

技术总结
本发明涉及涡旋电子束制备技术领域，特别公开了一种基于高相干超冷电子束制备涡旋电子束的装置和方法，其包括：利用原子捕获机构捕获冷原子团，得到捕获后的冷原子团；利用电离激光照射所述捕获后的冷原子团，产生电子；启动加速电场，利用加速电场引出所述电子，得到引出的电子束；将所述电子束输送至相干性增加机构，得到相干性增大后的电子束；将所述相干性增大后的电子束传输至涡旋生成机构进行衍射，经衍射后产生轨道角动量得到涡旋电子束，本发明提出基于磁光阱冷原子产生涡旋电子束的制备方法，可控性高，装置相对简单，为涡旋电子束的产生提供了新途径，有利于推动涡旋电子束的研究和应用。

技术研发人员：邹丽平,刘璇,周文长,卢亮,杨振,马伟,孙艳兵
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19