超快电子衍射系统的时间空间分辨能力研究及其优化

超快电子衍射技术是研究物质瞬态结构变化及超快结构动力学的有效手段.研制了国内第一套同时具有超快时间分辨及超高空间分辨能力的超快电子衍射系统,并研究了在该超快电子衍射系统上实现超快时间分辨及超高空间分辨能力的技术手段及其优化方法.实验结果表明：经过优化后该系统可以具有优于500 fs的时间分辨能力,其空间分辨能力达到0.04%的衍射峰位置变化,对应的晶面变化为0.0005?.该系统可以为实时测量超快光脉冲激发的物质瞬态结构变化,特别是为研究晶体材料的超快动力学行为提供了强有力的实验工具. 关键词： 超快电子衍射 空间分辨 时间分辨     

基于光场一阶关联的时域成像

与通常利用二阶强度关联测量实现时域鬼成像不同,本文利用时域热光源借助干涉仪通过一阶关联实现时域成像.基于空域光束的近轴衍射和时域窄带脉冲在色散介质中色散之间的空间-时间二象性,在时域脉冲响应函数的基础上得到了表征一阶关联时域成像的强度表达式,分析研究了光源脉冲宽度和相干时间对成像可见度和分辨率的影响.结果一方面表明基于热光场一阶关联的时域成像在不需要额外色散补偿或消除条件下可以实现时域物体信号的再现,另一方面表明当光源脉冲宽度一定时,成像可见度随光源脉冲相干时间的增加而增加,但是成像分辨率逐渐降低,其中当光源脉冲宽度约为100 ps,相干时间约为0.5 ps时,间隔为20 ps,宽度为8 ps的时域矩形波型物体的成像质量(兼顾可见度和分辨率)较好.该结果对于基于热光一阶关联的时域成像在时序信号测量中的应用具有重要意义.     

高温合金不同脉宽超快激光作用下多脉冲去除阈值

实验研究了激光脉冲宽度和脉冲个数对镍基高温合金材料去除阈值的影响,分别在290 fs,1 ps和7 ps脉宽的激光下,使用1,10,50,100,300,500和1000个不同能量的激光脉冲辐照高温合金样品表面。实验结果表明,烧蚀坑尺寸会随脉冲数的增加而增加,而脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响。通过烧蚀坑直径的平方值与激光脉冲能量之间存在的对数关系,得到了不同脉冲宽度下镍基高温合金的多脉冲材料阈值。3种不同脉宽下的高温合金多脉冲去除阈值都存在显著的累积效应。根据去除阈值计算得到290 fs,1 ps和7 ps脉宽下的累积效应系数分别为0.88,0.86和0.78。     

超紧凑型飞秒电子衍射仪的设计

由于空间电荷效应的限制,产生百飞秒的极短电子脉冲是超快电子衍射技术的一大难点.同时,电子的穿透深度随着电子能量的增加而增加,而电子的散射几率却具有相反的规律.因而,除了时间分辨的提升,还需要可宽范围调节的电子能量以优化不同厚度样品对其的需求.基于此,提出并设计了一种新型超紧凑电子枪,结合均匀场阴极和可移动阳极的配置,可在10-125 kV加速电压范围内实现100 fs量级时间分辨率.通过优化设计高压电极轮廓,使得其轴上和整个阴极面的场增强因子在不同阴阳极间距下均小于约4%,从而保证了不同加速电压下最大轴上场强均可达10 MV/m量级,有效地抑制了电子脉冲的展宽效应;进一步将阳极小孔设计成可放置致密电镜载网的阶梯孔,一方面可将载网支撑的样品紧贴小孔后方放置,最大程度上缩短了电子从阴极到样品的时间弥散,同时也可以有效地减弱阳极孔对电子束的散焦效应,提升电子束的横向聚焦性能.     

A new method for characterizing ultrafast resonant-tunnelling diodes with electrooptic sampling

A new electrooptic sampling technique for characterizing ultrafast resonant-tunnelling diodes (RTD) is presented, in which the RTD is driven by the output of the photodiode irradiated by the same laser pulse that probes the output of the RTD. This method features a high time resolution, moderate slew rate and low heat load, which are the keys to characterizing RTD switching time. From the investigation of several factors, such as laser pulse width, interaction time between the probe pulse and electrical signal, and triggering jitter, the overall time resolution was found to be less than 1 ps. The measured switching times for In_0.53Ga_0.47As/AIAs RTDs were compared with the resistance-capacitance time constant for each device, and this confirmed that this driving method accurately measured RTD switching time at the order of 1 ps.     

基于光电子脉冲展宽的高时间分辨成像技术

为获取超快光脉冲信号,提出了一种基于光电子脉冲准线性展宽的高时间分辨二维成像技术。利用高频时变电场的线性工作区加速光电子脉冲信号,通过优化阴极激励源的电参数,选择光电子进入加速区的时刻实现光电子脉冲的准线性展宽。利用曝光时间100ps的门控选通微通道板在脉冲展宽模块的记录面进行选通曝光成像,实现高时间分辨的二维成像。为改善系统的空间分辨和成像畸变,添加轴向聚焦磁场解决电子漂移区中由电子空间电荷效应引起的时间和空间弥散,对于能量4 keV、出射角0.1°的电子束,聚焦磁场的最佳强度为0.057 T,此时阴极中心位置的空间分辨可达5 1p/mm,阴极边缘位置空间分辨稍差。基于光电子脉冲准线性展宽技术,可将漂移距离50 cm,初始脉宽10 ps的电子脉冲展宽10倍,从而可将门控MCP探测器的时间分辨提高1个量级(即10 ps以内)。     

皮秒级时间分辨超快高能脉冲激光光谱

介绍了一种利用光电摄谱法和条纹管相结合测量ps级时间分辨超快高能脉冲激光光谱的方法。论述了条纹相机工作原理和平面衍射光栅的分光原理,分析指出利用介绍的装置,可以实现波长300 nm ～1 600 nm、脉宽＞2 ps超快高能脉冲激光的光谱测量。采用1 054 nm超快高能脉冲激光器,实验得到了条纹像,对条纹像进行数据处理后得到测量光谱曲线,通过能量标定后,得到了超快高能脉冲激光器实际光谱曲线,验证了ps级时间分辨超快高能脉冲激光光谱方法。讨论了系统中耦合透镜组对光谱测量和光纤色散角对条纹图像的影响,论述了ps级时间分辨超快高能脉冲激光光谱的作用。随着条纹管制造技术的飞速发展,该方法可用于fs级激光光谱的测量。     

用超快电子衍射技术研究Al薄膜的超快动力学行为

超快电子衍射（UED）技术因其同时具有亚皮秒的时间分辨和亚毫埃的空间分辨能力,成为研究物质瞬态结构变化,特别是研究晶格材料超快动力学的有力工具.应用国内首台自行研制的UED系统,我们实时测量了超快激光脉冲激发下,20 nm金属Al多晶薄膜产生的相干声子和晶格热运动.实验结果显示,在晶格热运动加剧的同时,热应力的作用使晶格产生了相干振荡,并最终膨胀达到新的平衡位置.实验中测得的振荡周期以及晶格上升的温度与理论计算的结果符合较好,展示了UED技术在超快晶格动力学研究方面的广阔应用前景 关键词： 超快电子衍射 相干声子 晶格热运动     

脉宽对超快激光平衡光学互相关测距影响的研究

采用基于平衡光学互相关的超快激光绝对距离测量方法对大气中一段15m的空间距离进行了测量。仿真了不同脉冲宽度、不同光强损耗对平衡互相关信号的影响,理论分析表明脉宽展宽对平衡互相关信号影响较大。采用中心波长为1037nm、重复频率为260MHz的超快激光器光源,搭建了测距系统。实验验证了在脉宽分别为1.44ps、132fs时,对平衡互相关信号的影响,实验结果符合理论分析。研究了不同脉冲宽度对测量分辨力的影响,结果显示,采样时间为5ms,脉宽为1.44ps,测量分辨力不低于50μm;而当脉宽为132fs时,测量分辨力优于5μm。     

Characteristics of a hybridly mode-locked cw dye laser

We present experimental and theoretical results on the characteristics and random variations of subpicosecond pulses generated by a synchronously pumped cw dye laser with saturable absorber. The analysis of the power spectra indicates rapid fluctuations of the pulse duration of 40–50%, energy fluctuations of 3%, and a jitter of the repetition time of 0.1% corresponding to an absolute jitter of 12 ps. The latter is caused mainly by the temporal jitter of the pump laser. A mismatch of the lengths of the dye and the pump-laser cavity can result in a nonstationary mode-locking regime with a periodic change of the pulse parameters. The interpretation of the experimental results are supported by computer simulations of the pulse evolution process.     

Photo-triggered pulsed cavity compressor for bright electron bunches in ultrafast electron diffraction

Temporally resolved observation of microscopic structural dynamics of solids with ultrafast electron diffraction (UED) requires extremely short pulsed, highly charged, monoenergetic electron beams with sufficient transverse coherence length of several unit cells of the investigated samples. However, Coulomb repulsion defeats these parameters in free propagation of an electron pulse initially bright on the photo cathode. We demonstrate a new electron pulse compressor design based on a simple and compact RF structure incorporating a pair of gallium arsenide photoconductive semiconductor switches that are triggered by femtosecond laser pulses, thereby providing a longitudinal voltage gradient of up to 20?V/ps. Our proof of principle experiment achieved compression of bunches containing 26,000 electrons to a duration of below 750?fs and a beam diameter of 300???m in the temporal and spatial focus of the device while maintaining the good beam collimation required for time resolved electron diffraction experiments. The simplicity of the compressor provides a strong incentive for its further development toward practical implementation in sub-relativistic UED experiments requiring the highest possible source brightness.     

Stationary rescaled pulse in dispersion-managed comblike profiled fiber for highly efficient and high-quality optical pulse compression

A stationary rescaled pulse (SRP) exists in a dispersion-managed comblike profiled fiber (DM-CPF) that consists of alternate concatenations of normal-dispersion highly nonlinear fiber and single-mode fiber. Numerical analysis reveals that the newly found SRP exhibits a nearly Gaussian temporal profile with a small amount of pedestal in spite of a relatively large compression ratio. We apply the SRP propagation to optical pulse compression based on DM-CPF and demonstrate highly efficient and high-quality optical pulse compression. Using a three-step DM-CPF, we experimentally show that a 2.6 ps width input pulse is successfully compressed to a nearly Gaussian pulse having the width of 0.39 ps and the peak-to-pedestal ratio of 19.3 dB.     

A proposal for fs-electron microscopy experiments on high-energy excitations in solids

Recent advances in ultrafast technology enable both the study and the control of materials properties thanks to the ability to record high temporal resolution movies of their transformations, or the ability to generate new states of matter by selecting ad hoc an excitation to drive the system out of equilibrium. The holy grail of this type of experiments is to combine a high tuneability of the excitation with a wide observation window. For example, this is achieved in multidimensional optical spectroscopy where the response to several excitation energies is monitored in a broad energy range by a large bandwidth optical pulse. In this article, the possibility to combine the chemical sensitivity of intense tuneable X-rays pulses from a free electron laser, with the wide range of observables available in an ultrafast transmission electron microscope is discussed. The requirements for such experiments are quantified via estimates based on state of the art experiments and simulations, and it is proposed that ultrafast electron imaging, diffraction and spectroscopy experiments can be performed in combination with a chemically selective X-ray excitation of materials.     

超快电子衍射仪理论及实验研究

研制一套同时具有时间分辨及空间分辨能力的超快电子衍射(UED)系统,理论时间分辨能力达到300 fs,空间分辨能力160 lp/mm,并对该系统进行了静态性能分析。实验表明,优化后系统电子束直径约为300 m,电子打靶角度约为0.09,同时对x和y偏转板的灵敏度、电子束斑尺寸及位置稳定性进行定量分析,利用该系统进行多晶铝膜电子衍射实验,分析衍射图样表明系统最小可以分辨单个晶格间距的0.36%。     

研制超宽带全光取样示波器设备

全光取样示波器是研究与开发超高速光通信系统和光子交换网络的关键性测试仪器设备. 本文简介了我们自行设计和研制出的超宽带全光取样示波器设备的实验样机系统, 并报道了我们已取得的初步实验结果. 采用自主研发的高稳定性被动锁模飞秒光纤激光器作为该光学示波器的光脉冲取样源, 我们通过利用高度非线性光纤中的四波混频效应, 成功地实现了对脉宽为1.8ps、重复频率分别为10GHz和40GHz的光脉冲信号的全光取样. 然后通过数字信号处理和计算机图形处理, 得到了再现后的超短光脉冲信号波形, 并测出了其脉冲宽度值为2.3ps. 借助于该光学取样示波器实验样机, 我们还成功地完成了对脉宽为1.8ps、经过伪随机数据序列调制后的10Gbit/s和40Gbit/s光数据信号眼图的精确测量. 这是我国首次报道有关超宽带全光取样示波器设备的实际研制工作及其相应的实验测试结果. 所得到的有关超短光脉冲信号波形的测试结果也与用70GHz宽带电子示波器和超快光电探测器组成的常规光电测量系统所获得的结果进行了比较, 清楚地表明了我们研制出的全光取样示波器实验样机比后者具有更高的时间分辨率和更大的测量带宽.     

Ultrafast, jitter-free x-ray streak camera that uses single-photon counting

A novel method developed to increase the temporal resolution of x-ray streak cameras is described. The method is analogous to the time-correlated single-photon-counting technique, which is commonly used in atomic physics. By use of short-pulse x-ray radiation from a laser-produced plasma, generated by an ultrafast laser, it is shown that a standard x-ray streak camera with a nominal temporal resolution of >5ps can yield a temporal response of 1.6 ps. The readout technique also removes temporal jitter with respect to the triggering laser. Capabilities and limitations of the technology are discussed.     

超快电子衍射装置的束流能量反馈控制

上海交通大学的超快电子衍射(UED)装置由一台电子直线加速器作为驱动,电子枪为一台光阴极微波电子枪。加速器在运行中电子枪会偶尔打火,腔体失谐,造成束流损失,束流能量产生变化,束流需要很长时间才能恢复到初始状态,影响了用户的使用。为此,对低电平控制器(LLRF)的幅度相位控制环路进行了改进,增加了能量反馈,代替了幅度反馈,通过对束流的中心位置进行实时的反馈以控制低电平控制器输出信号的幅度,保证了电子束流的能量稳定和电子枪加速场强的稳定。长时间的稳定性测试表明,电子枪在打火产生时,束流能量可以很快恢复,能量抖动由4.2933×10^-4(RMS)提高到2.8557×10^-4(RMS),实现了束流能量的长期稳定。     

光阴极电子枪微波与激光同步系统研究

光阴极微波电子枪中,微波与激光脉冲的同步问题是其能否稳定工作的关键之一.我们自行设计、采用了一种取样锁相电路,用频率不很稳定的激光脉冲的基波与S波段高频微波直接取样鉴相,提高了锁相精度,实现了超快激光脉冲与高频微波的精准同步,这在国内还是第一次.均方根时间抖动为0.57ps,时间抖动的最大值为2.6ps,锁相精度完全满足SDUV项目光阴极微波电子枪的要求.     

飞秒电子衍射系统的设计

研发的超快电子衍射系统由超快电子枪、样品室、超快读出系统、电源系统,以及真空系统等组成,该超快电子衍射系统具有较高的时间分辩能力和较强的探测能力.光电阴极是蒸镀于MgFB2窗上的35 nm的银膜,该阴极对266 nm的紫外光比较敏感,有较高的量子效率,又具有很好的化学稳定性.用短磁聚焦系统来实现对光电子的聚焦,有两对偏转板,其中的一对在测量时间脉宽时用作扫描板.用双MCP探测器来增强电子图像的强度,其增益在104以上,具有单电子探测能力.系统的总时间脉宽设计为358 fs.     

变像管皮秒分幅和飞秒扫描相机的实验研究

本文将描述两种变像管皮秒分幅相机和一种飞秒扫描相机的设计特点、动态测试方法和实验结果。第一种变像管皮秒分幅相机采用了交叉点扫描多光栏分幅的方法,其变像管具有长加速电极和短阳极的静电弱聚焦系统与偏转灵敏度高、偏转像质好的偏转群体结构;其超快速控制电路只需一个光电开关斜坡电压脉冲发生器和一个特殊设计的脉冲成形网络即可送出具有合适时间关联的4对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶液电压脉冲。实验表明,该相机在提供6幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为80ps,除 3～4幅图像间的时间间隔为680ps外,其余均为160ps,动态空间分辨率达到5.51p/mm。第二种变像管皮秒分幅相机采用快门式分幅方法;其变像管采用行波偏转系统,内增强MCP做成带状线结构,并具有输入输出阻抗变换器,其三台阶波和快门脉冲序列均由光电开关电路和脉冲成形网络产生。该相机在提供三幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为660ps,画幅之间的时间间隔均为4ns,动态空间分辨率为5.5lp/mm。飞秒扫描相机采用MCP内增强飞秒扫描变像管、具有负时间畸变的中继透镜和无触发晃动的光电开关扫描电路。实验证明,该相机在时间分辨率为500fs时,其动态范围为30;当时间分辨率为1.2ps时,其动态范围可达500;无扫描图像弯曲现象,触发晃动为±2ps.