上海交大课题组与合作者实现太赫兹示波器记录飞秒相对论电子束完整时间信息

上海交通大学物理与天文学院张杰院士和向导教授领导的课题组与华东师范大学、中科院上海光机所、西北核技术研究所等国内外同行合作，利用两个偏振态方向相互垂直的线偏振太赫兹脉冲合成圆偏振脉冲，首次在介质波导中以太赫兹波长为时间基准实现对相对论能量级电子束完整时间信息的精确测量，并获得3 fs的超高时间分辨率。该工作作为“编辑推荐”（Editors' Suggestion）文章发表在2019年4月的《物理评论快报》 【L. Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 122, 144801 (2019)】；作为本期的亮点文章之一（Featured in Physics），Physics以‘Ultrafast oscilloscope for ultrashort electron beam’为题目对该工作进行了特别介绍。图片1.png

线偏振THz streaking方法的局限性及THz示波器获得的对电子束螺旋streaking

超短电子束在自由电子激光、超快电子衍射、逆康普顿散射X光源、太赫兹驱动先进加速等装置中有着广泛的应用；因此，精确测量超短电子束的完整信息（包括脉宽和到达时间）至关重要。该课题组在2018年利用太赫兹在超材料中实现了对相对论电子束streaking【L. Zhao et al, Phy. Rev. X 8, 021061 (2018)】；在此基础上，该课题组进一步借鉴传统示波器里对待测信号利用两个极板偏转产生二维图像的方法，利用两束相位差为90度且偏振态方向互相垂直的线偏振太赫兹脉冲，在大孔径介质波导中实现对电子束进行螺旋偏转，大幅提升了该方法的实用性和测量范围（dynamic range）。比如上图左中7个时间间隔相同的电子束，由于传统方法使用的线偏振太赫兹的场强为正弦分布，因此只有中间三个红色电子感受到线性的作用力能被准确测量；该方法对应的测量范围约为四分之一波长。利用新发展的太赫兹示波器技术，电子被螺旋偏转，如上图右所示，测量范围增加为整个波长。

两束THz脉冲相位差从0度到180度改变时所获得的电子束streaking图案

通过改变两束THz脉冲的延时，可对合成的THz偏振态进行操控，实现对3 MeV电子streaking图案从一维直线到二维椭圆和圆的切换，如上图所示。

太赫兹示波器记录大于50倍的电子束压缩过程

该课题组进一步对THz脉冲的包络进行调制，实现了大于一个波长的测量范围；结合该方法的高时间分辨率，直接重现了电子束脉冲从大于2 ps （全宽）压缩至15 fs （rms）的全过程：如上图所示，压缩过程中电子束头部和尾部逐渐向中心汇聚。

如果把一台加速器比作一个人的话，束流测量系统就是这个人的眼睛。对于基于超短电子束的加速器装置，最难测量的参数便是电子束纵向分布及其相对于激光/太赫兹的时间抖动，而这些测量的精度在很大程度上也决定了此类装置的性能。该‘太赫兹示波器’提供的超高时间分辨率预期将对提高超快电子衍射装置的时间分辨率、提高逆康普顿散射装置的电子-激光对撞时间精度以及提高太赫兹加速中电子与太赫兹的同步精度等有较大促进作用。

本工作主要由科技部青年973课题（No. 2015CB859700）、上海市科委重大项目（No. 18JC1410700）、基金委国家重大科研仪器研制项目（No. 11327902）和基金委创新群体项目（No. 11721091）资助，论文第一作者为博士生赵凌荣。