本發(fā)明涉及一種電子脈沖控制和測量技術(shù)，特別涉及一種基于太赫茲波的控制壓縮和檢測電子脈沖脈寬裝置。

背景技術(shù)：

如今，以電子脈沖調(diào)控為基礎(chǔ)的超快診斷工具，在時間分辨超快現(xiàn)象研究中發(fā)揮著舉足輕重的作用。一般情況下，即使沒有任何空間電荷，電子脈沖加速后由于色散，不可避免地有一個時域上的脈沖展寬。因此，為了到達(dá)聲子或電子時間尺度的衍射，電子脈沖壓縮是必不可少的。此外，實現(xiàn)電子脈沖在時域上的壓縮也是提高條紋相機(jī)，超快電子衍射儀等超快檢測儀器時間分辨能力的關(guān)鍵。

目前所研究的產(chǎn)生超短電子脈沖的途徑分為兩種：一種是利用電場或磁場對電子脈沖時間域或空間域內(nèi)的調(diào)制，如采用新型結(jié)構(gòu)的光學(xué)電子槍的設(shè)計，或引入電子脈沖展寬抑制電極等；另一種是采用瞬態(tài)調(diào)制型電場，對電子進(jìn)行有差別的瞬態(tài)調(diào)制，以及利用強(qiáng)激光場對電子脈沖的質(zhì)動力學(xué)作用而從待調(diào)制的電子脈沖中分離出阿秒量級電子脈沖，以達(dá)到時域壓縮電子脈沖的目的。

但是這些方法或因價錢昂貴，或因精密度要求過高，或因不能滿足變像管條紋相機(jī)，超快電子衍射儀等超快診斷研究應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)要求而存在一定的局限性。例如，利用電場及磁場對電子脈沖脈寬的調(diào)制屬于靜場調(diào)制，具有相對較高的穩(wěn)定性和易操作性，但由于其多為無差別調(diào)制，電子脈沖脈寬壓縮的效率相對較低，難以滿足高分辨率條紋相機(jī)等超快診斷設(shè)備的應(yīng)用要求；相比之下，利用瞬態(tài)調(diào)制電場對電子脈沖脈寬的調(diào)制屬于時變場調(diào)制，這種方法是對空間電荷有針對性的作用，因而具有很高的壓縮效率，適用于多種領(lǐng)域。此外，電子脈沖的高效壓縮也為泵浦-探測電子衍射成像等新領(lǐng)域提供了研究思路，但目前由于技術(shù)，器件等受限，穩(wěn)定性不足，實施可行性較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對目前全光控制以及超快電子脈沖的穩(wěn)定性差，對電子脈沖的脈寬壓縮能力不夠，不能達(dá)到實際應(yīng)用和測試要求的問題，提出了一種基于太赫茲波的控制和檢測壓縮電子脈沖脈寬裝置，利用微結(jié)構(gòu)諧振腔來實現(xiàn)太赫茲場對電子脈沖的壓縮及條紋檢測作用。裝置簡單，操作容易，適用范圍廣。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于太赫茲波的控制和檢測壓縮電子脈沖脈寬裝置，包括激光光源，第一單色分束片，太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)，高阻硅片，第一延遲模塊，電子脈沖檢測系統(tǒng)，第一蝶形金屬諧振器，太赫茲波高反射鏡組，打孔離軸拋物面鏡，二次諧波倍頻晶體，反射鏡組，第二延遲模塊，電子源，太赫茲透鏡，第二蝶形金屬諧振器，可移動第四反射鏡及電子脈沖應(yīng)用系統(tǒng)，從激光光源輸出的超短脈沖激光經(jīng)過第一單色分束片，透射部分進(jìn)入太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)，輸出準(zhǔn)直的太赫茲波，經(jīng)高阻硅片分束，分束后的反射太赫茲波經(jīng)過太赫茲透鏡后聚焦到第二蝶形金屬諧振器上，另一束透射太赫茲波經(jīng)過太赫茲波高反射鏡組和第一延遲模塊，再通過打孔離軸拋物面鏡聚焦到第一蝶形金屬諧振器上；經(jīng)過第一單色分束片的另一束反射的超短激光脈沖通過二次諧波倍頻晶體后經(jīng)過反射鏡組和第二延遲模塊進(jìn)入電子源，從而產(chǎn)生電子脈沖，所產(chǎn)生的電子脈沖與經(jīng)過太赫茲透鏡的太赫茲波共同會聚到第二蝶形金屬諧振器上，太赫茲波激發(fā)第二蝶形金屬諧振器產(chǎn)生共振，共振提供隨時間變化的力分量，方向平行于電子束，壓縮電子脈沖的上升沿和下降沿，獲得脈寬變窄的電子脈沖，輸出進(jìn)入電子脈沖應(yīng)用系統(tǒng)；

壓縮后的電子脈沖經(jīng)過可移動第四反射鏡再穿過打孔離軸拋物面鏡與經(jīng)過第一延遲模塊的太赫茲脈沖正入射會聚于第一蝶形金屬諧振器，第一蝶形金屬諧振器放置垂直于光束傳播方向，太赫茲波激發(fā)第一蝶形金屬諧振器產(chǎn)生共振，產(chǎn)生橫向時間軸的分力，作用于壓縮后的電子脈沖進(jìn)入電子脈沖檢測系統(tǒng)，對壓縮后的電子脈沖進(jìn)行檢測。

所述第一蝶形金屬諧振器和第二蝶形金屬諧振器為金屬鋁箔基底上有蝴蝶形狀的微幾何結(jié)構(gòu)陣列的金屬諧振器，金屬諧振器整體厚度為30μm，蝴蝶形狀結(jié)構(gòu)厚度為70nm。

所述第一太赫茲波高反射鏡，第二太赫茲波高反射鏡以及第一延遲模塊所用的太赫茲波高反射鏡其表面鍍有金或銀或鋁金屬膜。

所述二次諧波倍頻晶體選擇具有倍頻效應(yīng)的非線性光學(xué)晶體。

所述太赫茲透鏡選擇聚甲基戊烯透鏡、特弗龍透鏡和高阻硅透鏡中的任意一種。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于太赫茲波的控制和檢測壓縮電子脈沖脈寬裝置，裝置簡單，操作方便，易于實現(xiàn)。相比于目前的電子脈沖壓縮方法和技術(shù)來說，由于太赫茲控制場源和電子脈沖產(chǎn)生源來自于同一個超快激光，可以得到近乎完美的時間同步結(jié)果，從而提供了從本質(zhì)上超過微波激光同步表現(xiàn)的性能，不需要鎖定電子。整個系統(tǒng)裝置還具有抖動小，壓縮倍率高，易于仿真等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于太赫茲波的控制和檢測壓縮電子脈沖脈寬裝置實施例一示意圖；

圖2為本發(fā)明基于太赫茲波的控制和檢測壓縮電子脈沖脈寬裝置實施例二示意圖；

圖3為本發(fā)明裝置中蝶形金屬諧振器正視圖。

具體實施方式

將一束超快激光脈沖分束后，一束通過太赫茲發(fā)射源，產(chǎn)生太赫茲波；另一束經(jīng)過二次諧波倍頻晶體后入射在電子源上，產(chǎn)生電子脈沖，電子脈沖與會聚后的太赫茲波共同入射到蝶形金屬諧振器上,利用太赫茲電場在金屬平面壓縮電子脈沖時域?qū)挾纫约斑M(jìn)行條紋檢測。由于太赫茲控制場源和電子脈沖產(chǎn)生源來自于同一個超快激光，可以得到近乎完美的時間同步結(jié)果，從而提供了從本質(zhì)上超過微波激光同步表現(xiàn)的性能，不需要鎖定電子。

如圖1所示為基于太赫茲波的控制和檢測壓縮電子脈沖脈寬裝置實施例一示意圖，采用電子源發(fā)射電子脈沖的半高全寬為930fs，實現(xiàn)方案。裝置由激光光源1，第一單色分束片2，太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)3，高阻硅片4，第一延遲模塊5，電子脈沖檢測系統(tǒng)6，第一蝶形金屬諧振器7，第一太赫茲波高反射鏡8，第二太赫茲波高反射鏡9，打孔離軸拋物面鏡10，二次諧波倍頻晶體11，第一反射鏡12，第二反射鏡13，第三反射鏡14，第二延遲模塊15，電子源16-1，太赫茲透鏡17，第二蝶形金屬諧振器18，可移動第四反射鏡19，電子脈沖應(yīng)用系統(tǒng)20組成。從激光光源1輸出的超短脈沖激光經(jīng)過第一單色分束片2，透射部分進(jìn)入太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)3，輸出準(zhǔn)直的太赫茲波，經(jīng)高阻硅片4分束，分束后的反射太赫茲波經(jīng)過太赫茲透鏡17后聚焦到第二蝶形金屬諧振器18上，另一束透射太赫茲波經(jīng)過太赫茲波高反射鏡組（8、9）和第一延遲模塊5，再通過打孔離軸拋物面鏡10聚焦到第一蝶形金屬諧振器7上。經(jīng)過第一單色分束片2的另一束反射的超短激光脈沖通過二次諧波倍頻晶體11后經(jīng)過反射鏡組（12、13、14）和第二延遲模塊15進(jìn)入電子源16-1，從而產(chǎn)生電子脈沖，此時電子脈沖未被太赫茲場壓縮，半高全寬可達(dá)930fs，所產(chǎn)生的電子脈沖與經(jīng)過太赫茲透鏡17的太赫茲波共同會聚到第二蝶形金屬諧振器18上，電子脈沖和太赫茲波傳播進(jìn)入方向均與第二蝶形金屬諧振器成45度角。太赫茲波激發(fā)第二蝶形金屬諧振器產(chǎn)生共振，共振提供隨時間變化的力分量，方向平行于電子束，能有效地分別壓縮電子脈沖的上升沿和下降沿，獲得脈寬變窄的電子脈沖，壓縮后的脈沖經(jīng)過下移的可移動第四反射鏡19再穿過打孔離軸拋物面鏡10與經(jīng)過第一延遲模塊5的太赫茲脈沖正入射會聚于第一蝶形金屬諧振器7，第一蝶形金屬諧振器7放置垂直于光束傳播方向，同理，太赫茲波激發(fā)第一蝶形金屬諧振器7產(chǎn)生共振，產(chǎn)生橫向時間軸的分力，作用于壓縮后的電子脈沖以便進(jìn)入電子脈沖檢測系統(tǒng)6，進(jìn)行條紋檢測，電子脈沖檢測系統(tǒng)6檢測得到電子脈沖分辨率等信息。檢測符合要求后，將可移動第四反射鏡19上移，使?jié)M足壓縮要求的電子脈沖從第二蝶形金屬諧振器18直接進(jìn)入電子脈沖應(yīng)用系統(tǒng)20。此裝置中，壓縮效應(yīng)得到的最短脈沖的半高全寬可達(dá)到75fs，比原本930fs小12倍，甚至比基本聲子和分子振動的半周期都要小。具有很高的應(yīng)用價值。

如圖2所示為基于太赫茲波的控制和檢測壓縮電子脈沖脈寬裝置實施實例二示意圖，采用脈沖持續(xù)時間低于100fs的優(yōu)質(zhì)電子束以降低仿真與實驗結(jié)果在條紋階段吻合度稍差的問題。即用一個更小的電子源發(fā)射電子脈沖的半高全寬為100fs（如果光子發(fā)射能量與功函數(shù)匹配的話100fs電子源是可以實現(xiàn)的），實現(xiàn)方案。裝置由激光光源1，第一單色分束片2，太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)3，高阻硅片4，第一延遲模塊5，電子脈沖檢測系統(tǒng)6，第一蝶形金屬諧振器7，第一太赫茲波高反射鏡8，第二太赫茲波高反射鏡9，打孔離軸拋物面鏡10，二次諧波倍頻晶體11，第一反射鏡12，第二反射鏡13，第三反射鏡14，第二延遲模塊15，電子源16-2，太赫茲透鏡17，第二蝶形金屬諧振器18，可移動第四反射鏡19，電子脈沖應(yīng)用系統(tǒng)20組成。從激光光源1輸出的超短脈沖激光經(jīng)過第一單色分束片2，一部分進(jìn)入太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)3，輸出準(zhǔn)直的太赫茲波，經(jīng)高阻硅片4分束，分束后的反射太赫茲波經(jīng)過太赫茲透鏡17后聚焦到第二蝶形金屬諧振器18上，另一束透射太赫茲波經(jīng)過太赫茲波高反射鏡組（8、9）和第一延遲模塊5，再通過打孔離軸拋物面鏡10聚焦到第一蝶形金屬諧振器7上。經(jīng)過第一單色分束片2的另一束反射超短激光脈沖經(jīng)過二次諧波倍頻晶體11后經(jīng)反射鏡組（12、13、14）和第二延遲模塊15進(jìn)入電子源16-2，從而產(chǎn)生電子脈沖，此時電子脈沖未被太赫茲場壓縮，半高全寬為100fs，所產(chǎn)生的電子脈沖與經(jīng)過太赫茲透鏡17的太赫茲波共同會聚到第二蝶形金屬諧振器18上。太赫茲波激發(fā)諧振器產(chǎn)生共振，提供隨時間變化的力分量，方向平行于電子束，能有效地分別壓縮電子脈沖的上升沿和下降沿，獲得脈寬變窄的電子脈沖，壓縮后的脈沖經(jīng)過下移的可移動第四反射鏡19再穿過打孔離軸拋物面鏡10與經(jīng)過第一延遲模塊5的太赫茲脈沖正入射會聚于第一蝶形金屬諧振器7，同理，太赫茲波激發(fā)諧振器產(chǎn)生共振，產(chǎn)生橫向時間軸的分力，作用于壓縮后的電子脈沖以便進(jìn)入電子脈沖檢測系統(tǒng)6，電子脈沖檢測系統(tǒng)6檢測得到的電子脈沖的分辨率等信息。檢測符合要求后，將可移動第四反射鏡19上移，使?jié)M足壓縮要求的電子脈沖從第二蝶形金屬諧振器18直接進(jìn)入電子脈沖應(yīng)用系統(tǒng)20。此方案中，壓縮效應(yīng)得到的最短脈沖的半高全寬可達(dá)到3fs，這將是比目前用單電子方法產(chǎn)生的28fs脈寬更小的數(shù)量級，將有可能應(yīng)用于泵浦-探測電子衍射和成像等。具有廣闊的應(yīng)用前景。

所述太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)3，可以選擇利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波，如氣體等離子體輻射太赫茲波；或利用光整流原理產(chǎn)生太赫茲波，如鈮酸鋰晶體輻射太赫茲波；或光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲波，如用低溫生長的砷化鎵制備光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波。

所述第一太赫茲波高反射鏡8，第二太赫茲波高反射鏡9以及第一延遲模塊5所用的太赫茲波高反射鏡其表面鍍有金或銀或鋁金屬膜。

所述第一蝶形金屬諧振器7和第二蝶形金屬諧振器18為金屬鋁箔基底上有蝴蝶形狀的微幾何結(jié)構(gòu)陣列的金屬諧振器，如圖3所示，金屬諧振器整體厚度約為30μm，微觀蝴蝶形狀結(jié)構(gòu)厚度約為70nm，可利用光刻等工藝實現(xiàn)。金屬鋁箔用作太赫茲波的反射鏡，透過金屬鋁箔的電子遇到電磁場的突然消光，會發(fā)生凈偏轉(zhuǎn)。金屬鋁箔與入射太赫茲波，電子束組合角度的選擇取決于時間依賴的縱向、橫向偏轉(zhuǎn)要求。

所述二次諧波倍頻晶體11可選擇具有倍頻效應(yīng)的非線性光學(xué)晶體，如鈮酸鋰晶體，偏硼酸鋇晶體，三硼酸鋰晶體等。

所述太赫茲透鏡17可以是聚甲基戊烯（TPX）透鏡，特弗龍透鏡，高阻硅透鏡等。