【科研进展】全光学太赫兹驱动飞秒电子枪

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导读

近日，上海交通大学张东方课题组与德国电子同步辐射加速器研究所Franz X. Kärtner课题组合作，在《Nature Photonics》上发表题为“High gradient Terahertz-driven ultrafast photogun”的研究成果。文章报道了在全光学太赫兹驱动电子枪研究方面的最新进展，实现了全光学太赫兹驱动电子枪在加速梯度、电子能量、光束质量以及光束控制等方面的全新纪录，并在国际上首次实现了太赫兹驱动光电子枪在电子成像和衍射等方面的实际应用，迈出了开发全光学太赫兹驱动电子设备里程碑式的关键一步，为未来太赫兹驱动加速器技术在台面式辐射源和超快电子衍射以及成像中的应用奠定了基础。

图1 全光太赫兹驱动飞秒电子枪概念图

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研究背景

高品质超短电子束是人们研究和探索极端时空尺度下微观物质世界的有力工具，被广泛应用于超快电子衍射、超快成像以及超快X射线源等领域，极大推动了前沿科学领域的快速发展。传统基于射频加速的电子源由于造价昂贵、体积大、建设周期长等挑战，极大限制了其在科学领域的普及应用。因此，探索新型的紧凑型电子加速技术已成为加速器领域的重要研究方向之一。近年来，太赫兹驱动的电子加速技术由于其较高的加速梯度和稳定性备受瞩目，这一技术有望将加速器缩小到桌面规模，在未来高能量、高重复率的小型化超快电子源的研发中有着巨大的应用前景。

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研究创新点

在本工作中，研究团队基于上海交通大学100mJ碟片激光平台，通过在微腔中集成可移动的针尖结构，实现了加速场的场增强以及加速相位的精确控制，在亚毫米量级上实现了级联的电子产生、加速与压缩（如图2a所示）。通过调节针尖阴极的位置可以实现连续可调的相互作用长度，从而在任意太赫兹能量下均能实现全束团加速，大幅抑制了传统加速器中加速过程的相位失配问题。此外，受益于针尖阴极的场增强结构，研究团队利用数十微焦耳的太赫兹脉冲实现了高达～3 GV/m的峰值加速梯度，这也是迄今为止在光驱动电子枪中报道的最高加速梯度。

研究团队首先在单层太赫兹电子枪中开展了高梯度电子加速的研究。在2×8 µJ太赫兹能量下，实现了最大电子能量增益～14 keV、能散～1%、电荷量～10 fc，相较于当前世界上已报道的结果提高了一个量级。此外，研究团队进一步对束流横向发散度进行了表征，测量结果显示电子束横向发散度约为0.02mm mrad，最小聚焦光斑束径低于90 µm，这也是太赫兹驱动电子源达到的创纪录的低发散度（如图2b-c所示）。

图2 (a) 高梯度全光学太赫兹驱动电子枪示意图；（b）束流横向发散度实验结果；(c) 电子加速能量实验结果；(d-e) 电子压缩实验结果。

随后，研究团队通过集成可拓展的多功能电子操控微腔，进一步验证了在亚毫米量级上实现电子精密调控的可行性。通过高度集成的聚束腔，束流脉宽被进一步压缩至167 fs，实现了高达10倍的压缩比例（如图2d-e所示）。理论模拟显示，在没有聚束腔的情况下，低能电子束在经过数毫米的传输后会迅速展宽至几个皮秒，从而超出太赫兹聚束腔所支持的时间窗口，进一步说明了高度集成式太赫兹电子枪的重要性。

此外，为了进一步测试该装置的超高时空分辨能力，研究团队演示了首个全光太赫兹驱动的飞秒电子枪的电子衍射以及超快投影成像实验，实现了高质量的单晶硅衍射图样以及时间分辨的铜网投影成像，揭示了铜网上的带电粒子在光激发后产生的瞬态径向电场的动态演化，为探测纳米结构中的超快电荷载流子动态过程铺平了道路（如图3所示）。

图3超快电子显微成像及衍射应用

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总结与展望

本研究实现了全光太赫兹驱动电子源从概念到实际科学应用的跨越，在加速梯度、能量、能散、发散度及束长等关键参数上相较国际上报道的最好结果均提升了一个量级，并首次实现了高质量的电子衍射、成像以及高时空分辨率的瞬态场测量的应用，验证了该技术的成熟性及其在精密测量领域的应用，为未来发展紧凑型相对论电子束奠定了基础。

上海交通大学物理与天文学院博士生应健玮和何谐为本文共同第一作者，张东方副教授和Franz X. Kärtner教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（12174255）、上海市科学技术委员会（22JC1401900）以及欧盟科研基金的资助。

图文编辑：刘真

责任编辑：叶丹、朱敏

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