本發(fā)明專利屬于超快診斷領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲驅(qū)動(dòng)的亞飛秒時(shí)間分辨條紋相機(jī)。

背景技術(shù)：

超快電子的產(chǎn)生、運(yùn)行軌跡的操縱以及其時(shí)間特性的表征是目前超快研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，而且一般與超快激光技術(shù)緊密相關(guān)。

目前，超快光脈沖已經(jīng)可以達(dá)到亞100fs甚至as的量級(jí)，相應(yīng)的超快電子脈沖也可以壓縮到幾百fs甚至幾fs的量級(jí)，然而對(duì)具有這種時(shí)間精度的電子脈沖的測(cè)量仍面臨著挑戰(zhàn)。尤其是在X射線自由電子激光的種子源、超快電子衍射和電子在原子中的二次散射等實(shí)驗(yàn)中，全面了解電子脈沖的時(shí)間特性是實(shí)驗(yàn)測(cè)試的先決條件。因此，實(shí)現(xiàn)亞飛秒級(jí)電子脈沖時(shí)間特性的測(cè)量具有重要意義。條紋相機(jī)是實(shí)現(xiàn)超快電子脈沖表征的重要工具之一，其將一維超快時(shí)間信息轉(zhuǎn)換為空間信息，從而反演測(cè)得超快光脈沖的時(shí)間特性。目前用于超快電子束時(shí)間特性測(cè)量的條紋相機(jī)有：

文獻(xiàn)【1】涉及一種用于中低能電子(約30keV)脈沖的時(shí)間特性測(cè)量的條紋相機(jī)，其時(shí)間分辨率為150fs。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用的是毫米級(jí)的微小平行偏轉(zhuǎn)板，間距僅為0.5mm，并由脈沖電壓激發(fā)GaAs光導(dǎo)開關(guān)來提供偏轉(zhuǎn)電壓。由于GaAs光導(dǎo)開關(guān)可承受的脈沖電壓的最大值有限，進(jìn)一步提高這種條紋相機(jī)的時(shí)間分辨率極其困難。另外，由于其工作在累積模式，時(shí)間抖動(dòng)對(duì)其時(shí)間分辨率有重要影響。

文獻(xiàn)【2】涉及一種可用于中能或高能(keV或MeV)電子束時(shí)間特性測(cè)量的條紋相機(jī)，其時(shí)間分辨率在單發(fā)模式下可以達(dá)到亞100fs。該裝置采用射頻腔(rf cavity)實(shí)現(xiàn)對(duì)高能電子的偏轉(zhuǎn)，然而射頻場(chǎng)與電子脈沖之間的相位抖動(dòng)問題限制了累積模式下的時(shí)間分辨率，一般大于100fs。同時(shí)，射頻偏轉(zhuǎn)高能電子束利用高功率射頻場(chǎng)，需要昂貴復(fù)雜的電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

因此，在超快電子束時(shí)間特性表征領(lǐng)域迫切需要研發(fā)一種時(shí)間分辨更高、適用范圍更廣(適用于非相對(duì)論性與相對(duì)論性電子)、造價(jià)更低以及結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的條紋相機(jī)。

【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)；

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種可以探測(cè)非相對(duì)論性與相對(duì)論性(keV到MeV)超快電子脈沖的時(shí)間特性，分辨率可達(dá)幾個(gè)飛秒的量級(jí)，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的太赫茲驅(qū)動(dòng)電子偏轉(zhuǎn)的亞飛秒時(shí)間分辨條紋相機(jī)。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種太赫茲驅(qū)動(dòng)的亞飛秒時(shí)間分辨條紋相機(jī)，包括飛秒激光器、分束鏡、紫外光脈沖發(fā)生裝置、電子槍、磁聚焦裝置、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏以及相機(jī)；

飛秒激光器出射的飛秒激光通過分束鏡后一束飛秒激光進(jìn)入紫外激光脈沖發(fā)生裝置，另一束飛秒激光進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)；

電子槍用于將紫外光脈沖發(fā)生裝置生成的紫外光脈沖轉(zhuǎn)化為電子脈沖并對(duì)電子脈沖進(jìn)行加速；

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括太赫茲脈沖發(fā)生裝置、主真空腔室、熒光屏、準(zhǔn)直孔板以及二級(jí)天線；主真空腔室前端開設(shè)小孔，后端安裝熒光屏；主真空腔室從前至后依次安裝準(zhǔn)直孔板以及二級(jí)天線；主真空腔室的側(cè)部開設(shè)有第一真空法蘭；太赫茲脈沖發(fā)生裝置將產(chǎn)生的太赫茲脈沖依次通過反射鏡、第一真空法蘭發(fā)送至二級(jí)天線的間隙中形成偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)；

電子槍和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間安裝磁聚焦裝置；

主真空腔室外部正對(duì)熒光屏的位置安裝EBCCD相機(jī)。

當(dāng)使用該相機(jī)用于表征非相對(duì)論性電子時(shí)DC電子槍的具體結(jié)構(gòu)包括DC電子槍腔室、第一透鏡、陰極組件以及陽極；DC電子槍腔室的前端安裝透鏡，后端設(shè)置陽極；DC電子槍腔室內(nèi)安裝陰極組件；陰極組件和陽極生成加速電場(chǎng)；所述磁聚焦裝置為DC槍磁聚焦裝置。

上陰極組件包括陰極架、金屬陰極以及陰極基底；所述金屬陰極安裝在陰極基底上，陰極基底通過陰極支架安裝在DC電子槍腔室內(nèi)。

具體的是：所述陰極基底為藍(lán)寶石或氟化鎂。

當(dāng)使用該相機(jī)用于表征相對(duì)論性超快電子脈沖時(shí)電子槍為Rf電子槍；Rf電子槍包括射頻腔以及安裝在射頻腔內(nèi)壁上的光電陰極；所述磁聚焦裝置為RF槍磁聚焦裝置。

具體來說：太赫茲脈沖發(fā)生裝置包括沿著沿著飛秒激光脈沖出射的方向依次設(shè)置的光柵、第二透鏡以及鈮酸鋰晶體。

具體來說：所述紫外光脈沖發(fā)生裝置包括沿著飛秒激光脈沖出射的方向依次設(shè)置的倍頻晶體、群速度補(bǔ)償晶體、零階雙波片、和頻晶體以及分光棱鏡；所述倍頻晶體為厚度0.2mm、切割角29.2°的I類相位匹配BBO晶體；群速度補(bǔ)償晶體為厚度0.2mm、切割角29.2°的I類相位匹配BBO晶體；和頻晶體為厚度0.1mm，切割角44.3°的I類相位匹配BBO晶體。

上述二級(jí)天線的長(zhǎng)度為40μm-80μm，寬為10μm-20μm，間隙為5μm-20μm。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明采用紫外光脈沖發(fā)生裝置、電子槍、磁聚焦裝置、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏、EBCCD相機(jī)以及太赫茲脈沖發(fā)生裝置形成的條紋相機(jī)可使電子束能量達(dá)到keV級(jí)或MeV的高能電子束，大幅度提高了檢測(cè)的飛秒激光脈沖的量級(jí)。

2、本發(fā)明提供的條紋相機(jī)采用的太赫茲驅(qū)動(dòng)的二極天線作為偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅改變二極天線的幾何結(jié)構(gòu)，共振頻率就可以在100GHz到幾THz的范圍內(nèi)變化，從而所產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的上升時(shí)間可在幾百飛秒到幾皮秒的范圍內(nèi)變化，該條紋相機(jī)可探測(cè)非相對(duì)論性和相對(duì)論性(keV和MeV)超快電子束，可在單發(fā)模式下表征超快電子束的時(shí)間特性，且太赫茲脈沖與電子束具有更好的同步性，時(shí)間分辨率可以達(dá)到幾飛秒量級(jí)。

附圖說明

圖1為使用DC電子槍太赫茲驅(qū)動(dòng)的亞飛秒時(shí)間分辨條紋相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為太赫茲脈沖產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為使用RF電子槍太赫茲驅(qū)動(dòng)的亞飛秒時(shí)間分辨條紋相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為紫外光脈沖發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

1、飛秒激光脈沖；2、太赫茲脈沖；3、紫外光脈沖；4、第一透鏡；5、DC電子槍腔室；6、陰極支架；7、陰極基底；8、金屬陰極；9、陽極；10、DC槍磁聚焦裝置；11、真空管道；12、主真空腔室；13、準(zhǔn)直孔；14、二級(jí)天線；15、第一真空法蘭；16、熒光屏；17、EBCCD相機(jī)；18、反射鏡；19、第二真空法蘭；20、激光腔室；21、光電陰極；22、射頻腔；23、RF槍磁聚焦裝置；24、超短電子脈沖；25、光柵；26、第二透鏡；27、鈮酸鋰晶體；28、倍頻晶體；29、群速度補(bǔ)償晶體；30、零階雙波片；31、和頻晶體、32、飛秒激光器；33、分束鏡、34-紫外激光脈沖發(fā)生裝置、35-偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、36-太赫茲脈沖發(fā)生裝置、37-反射鏡、38-分光棱鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明采用兩種電子槍的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

實(shí)施例1：

如圖1和圖2所示，該條紋相機(jī)包括飛秒激光器32、分束鏡33、紫外光脈沖發(fā)生裝置34、DC電子槍、DC槍磁聚焦裝置10、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)35、熒光屏16以及EBCCD相機(jī)17；

飛秒激光器32出射的飛秒激光(a)通過分束鏡33后一束飛秒激光進(jìn)入紫外激光脈沖發(fā)生裝置34，另一束飛秒激光(b)進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)35；

DC電子槍包括DC電子槍腔室5、第一透鏡4、陰極組件以及陽極9；DC電子槍腔室5的前端安裝第一透鏡4，后端設(shè)置陽極9；DC電子槍腔室5內(nèi)安裝陰極組件；陰極組件和陽極9生成加速電場(chǎng)；陰極組件包括陰極架6、金屬陰極8以及陰極基底7；金屬陰極8安裝在陰極基底7上，陰極基底7通過陰極支架6安裝在DC電子槍腔室5內(nèi)。

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)35包括太赫茲脈沖發(fā)生裝置36、反射鏡37、主真空腔室12、熒光屏16、準(zhǔn)直孔板13以及二級(jí)天線14；主真空腔室12前端開設(shè)小孔，后端安裝熒光屏16；主真空腔室12從前至后依次安裝準(zhǔn)直孔板13以及二級(jí)天線14；主真空腔室12的側(cè)部開設(shè)有第一真空法蘭15；太赫茲脈沖發(fā)生裝置將產(chǎn)生的太赫茲脈沖2依次通過反射鏡37、第一真空法蘭15發(fā)送至二級(jí)天線14的間隙中形成偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)；

DC電子槍腔室5和主真空腔室12之間安裝DC槍磁聚焦裝置10；

主真空腔室12外部正對(duì)熒光屏16的位置安裝EBCCD相機(jī)17。

一束飛秒激光脈沖(a)經(jīng)紫外光脈沖發(fā)生裝置34產(chǎn)生紫外光脈沖3，紫外光脈沖3經(jīng)透鏡聚焦照射到DC電子槍腔室內(nèi)的金屬陰極8上，產(chǎn)生外光電效應(yīng)，發(fā)射超快電子脈沖24，此過程可認(rèn)為是瞬間完成的，超快電子脈沖24的時(shí)間展寬和空間分布與入射紫外光脈沖3相同。

超快電子脈沖24在DC電子槍腔室5內(nèi)由其陽極9與金屬陰極8之間的加速電場(chǎng)加速，再經(jīng)過DC槍磁聚焦裝置10聚焦，通過準(zhǔn)直孔板13進(jìn)入二極天線14的間隙；

在超快電子脈沖24產(chǎn)生的同時(shí)，另一束飛秒激光脈沖(b)經(jīng)光柵25產(chǎn)生傾斜激光脈沖，并經(jīng)透鏡26會(huì)聚到鈮酸鋰(LiNbO₃)晶體27，發(fā)生光學(xué)整流效應(yīng)，產(chǎn)生太赫茲脈沖2，此時(shí)二極天線14已由太赫茲脈沖2激發(fā)產(chǎn)生時(shí)變偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，超快電子脈沖24在時(shí)變偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的作用下，具有不同縱向位置(即不同時(shí)刻進(jìn)入二極天線間隙)的電子，受到不同的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，從而被偏轉(zhuǎn)到熒光屏16的不同位置，形成空間偏轉(zhuǎn)掃描的條紋像，并由EBCCD相機(jī)17讀取，實(shí)現(xiàn)待測(cè)光信號(hào)時(shí)間信息至空間信息的映射。

實(shí)施例2：

本發(fā)明不僅可以用于表征由DC槍加速的非相對(duì)論性電子，還可以對(duì)相對(duì)論性超快電子脈沖的時(shí)間特性進(jìn)行表征，具體實(shí)施方式為采用RF加速槍實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的加速。圖3所示為RF加速槍的結(jié)構(gòu)示意圖，

一束飛秒激光脈沖(a)經(jīng)紫外光脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生紫外光脈沖，紫外光脈沖將紫外激光脈沖通過第二真空法蘭19(第二真空法蘭均布在激光腔室外部，共四個(gè))引入激光腔室；紫外光脈沖3經(jīng)激光腔室20內(nèi)反射鏡18反射照射到射頻室22內(nèi)的光電陰極21上，發(fā)生外光電效應(yīng)，產(chǎn)生于光脈沖具有同樣時(shí)間和空間分布的超快電子脈沖24，超快電子脈沖24經(jīng)射頻腔加速，能量達(dá)到MeV，再經(jīng)過RF槍磁聚焦裝置23聚焦，通過準(zhǔn)直孔板13進(jìn)入二極天線14的間隙；

在超快電子脈沖24產(chǎn)生的同時(shí)，另一束飛秒激光脈沖(b)經(jīng)光柵25產(chǎn)生傾斜激光脈沖，并經(jīng)透鏡26會(huì)聚到鈮酸鋰(LiNbO₃)晶體27，發(fā)生光學(xué)整流效應(yīng)，產(chǎn)生太赫茲脈沖2，此時(shí)二極天線14已由太赫茲脈沖2激發(fā)產(chǎn)生時(shí)變偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，超快電子脈沖24在時(shí)變偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的作用下，具有不同縱向位置(即不同時(shí)刻進(jìn)入二極天線間隙)的電子，受到不同的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，從而被偏轉(zhuǎn)到熒光屏16的不同位置，形成空間偏轉(zhuǎn)掃描的條紋像，并由EBCCD相機(jī)17讀取，實(shí)現(xiàn)待測(cè)光信號(hào)時(shí)間信息至空間信息的映射。

需要說明的是：上述兩個(gè)實(shí)施例中的紫外光脈沖發(fā)生裝置34的結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體包括沿著飛秒激光出射的方向依次設(shè)置的倍頻晶體28、群速度補(bǔ)償晶體29、零階雙波片30、和頻晶體31以及分光棱鏡38；紫外光脈沖發(fā)生裝置包括沿著飛秒激光脈沖出射的方向依次設(shè)置的倍頻晶體、群速度補(bǔ)償晶體、零階雙波片和頻晶體以及分光棱鏡；所述倍頻晶體為厚度0.2mm、切割角29.2°的I類相位匹配BBO晶體；群速度補(bǔ)償晶體為厚度0.2mm、切割角29.2°的I類相位匹配BBO晶體；和頻晶體為厚度0.1mm，切割角44.3°的I類相位匹配BBO晶體。