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飞秒级别电子束整形

发布:laserline阅读:2328时间:2018-9-1 11:06:57

通过将电子束与太赫兹光脉冲交叉,研究人员能够产生倾斜的电子束,为提高电子显微镜的时间分辨率提供可能。

显微镜对科学家来说是一个非常强大的工具。生物学家使用基于光的显微镜来观察细胞,材料科学家通常依赖基于电子的显微镜,因为电子波长较短,可以直接显示具有亚埃分辨率的原子。最近纪念,电子显微镜的研发重点不仅在于解析空间特征,还在于获取时间信息,这些信息可以揭示例如原子如何在晶体中移动或者分子在化学反应过程中如何扭曲和转动。为了捕获这种行为,超快电子显微镜需要电子束或“闪光”,其通常在飞秒范围内,短于分子运动的时间尺度。而飞秒激光脉冲已经存在了超过三个十年,但直到最近,人们才或得一些可用的飞秒电子束。慕尼黑大学的彼得•鲍姆小组曾经展示过电子束的全光控制,现在他们在电子束形状的控制方面又向前迈进了一步。利用太赫兹(THz)光脉冲来改变电子束中电子的动量,它们获得了电子束的一侧在另一侧之前传播,具有“脉冲前倾”的飞秒电子束。原则上,这种倾斜的电子束可以进一步增强电子显微镜的时间分辨率。

图1:光学器件中脉冲前倾的示意图(顶部),其中棱镜根据其频率的不同以不同角度偏转光波。一项新的实验表明,当THz脉冲从箔片上反射时,引导电子通过金属箔使电子束形成类似倾斜(底部)。通过调整金属箔的角度,研究人员可以控制电子束中的偏转和压缩量。

当脉冲的空间和时间分布之间存在耦合时,发生脉冲前倾,使得到达时间在横向位置上变化。这种几何形状是能量前沿不垂直于传播方向的结果,正如通常情况那样。在激光光学系统中,通过使用棱镜引入角度色散可以非常容易地获得脉冲前倾角,例如图1中的顶部。由于飞秒光脉冲具有宽光谱带宽,不同频率在不同角度偏转,导致脉冲前倾,倾斜角θ由棱镜的方向决定。当这种倾斜的脉冲撞击垂直于传播方向的平面时,能量按照顺序堆积,就像从顶部开始的能量波一样,并以有效速度Veff=c/tan(θ)向下移动。研究人员利用这种倾斜的能量沉积进行样品的光学激发,并解决非线性光学中的速度匹配问题。

用电子产生脉冲前倾是更具挑战性的,因为与光子不同,电子之间相互排斥,电子束在真空中传播时不会保持短路,它们产生的速度扩散导致束伸长。慕尼黑团队解决这个问题的方法是使用强THz光脉冲,它非常适合于操纵比THz波周期(大约1皮秒)短的电子束。实验从飞秒激光脉冲开始,把它分为两束。第一束被送入光电阴极以产生超短电子束。第二束飞秒脉冲被发送到非线性晶体产生THz脉冲。该团队使THz脉冲和电子束在薄金属箔上的路径交叉相遇。这个箔有点像单向镜:它让电子通过但反射THz脉冲,这意味着电子束与入射光和脉冲的反射光都有相互作用(图1,底部)。

THz脉冲和电子束相互作用是不同方向THz脉冲电场产生的两种独立效应的组合(图2)。当电场垂直于束传播的方向时,发生第一种效应。这里,电子以一定的角度横向偏转,该角度取决于它们在电子束中的位置。例如,束的前半部分中的电子可能向左偏转,而后部的电子则偏向右侧。这种偏转称为条纹,因为它通常会在探测器上产生条纹图案。当THz电场平行于电子束的方向时,发生第二种效应。在这种情况下,前半部分中较快移动的电子被THz脉冲减速,而后部中较慢移动的电子被加速。在传播一定距离(以允许后电子赶上前电子)之后,电子束长度最终被压缩。

图2:太赫兹脉冲和电子束相互作用的两种效应。当脉冲场垂直于电子束运动方向(左)时,电子束的前部和后部在横向方向反向偏转。当脉冲场与电子束运动平行时(右),前部减速并且后部加速时,电子束被压缩。

慕尼黑团队实验的关键是箔片及其相对于THz脉冲和电子束的角度。通过调整这些角度,研究人员能够改变脉冲的平行和垂直电场分量的幅度,从而控制脉冲对电子束的影响。通过对箔片的某些设置,团队可以获得恰当的长度压缩和角度偏转量,以便电子束出现脉冲前倾。观察到的最大倾斜角度约为θ=10°,在束的前沿和后缘之间产生皮秒延迟。

通过所谓的泵探针显微镜,这种出色的方法对于在飞秒时间尺度上跟踪分子动力学特别有用。在该技术中,激光脉冲激发样品,而电子束捕获激发周期中特定时间的动态信息。理想情况下,光脉冲和电子束以这样的方式撞击样品,沿着样品的表面,产生具有相同有效速度的“激发波”和“探针波”。在实践中,这很难实现,但脉冲前倾技术可以为研究人员提供额外的控制水平,以调整样品中的有效速度。从更广泛的角度来看,这项工作见证了飞秒电子计量和操纵的诞生。我期望更多的具有更复杂的时空相关性的奇特电子脉冲可用,为超快速探测中的一系列新应用打开大门。该研究发表在Physical Review Letters上。

来源: PHYSICS

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