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     

高相干超快电子源研究进展

以原子级时空分辨监测物质的动力学行为并从最根本层面理解自然界中的微观基本过程一直是飞秒物理、飞秒化学以及飞秒生物学研究的目标.时间分辨电子衍射巧妙地结合了抽运-探测技术和电子衍射技术,可实现直接"观察"和"冻结"类似的超快过程.然而,目前常用的超快电子探针的横向相干性仍受到电子源的初始尺寸、有效温度、能量弥散以及电子间固有库仑排斥的限制,还很难分辨化学和生物相关的复杂有机分子.近年来大量研究工作都集中在发展高相干的超短电子源,其不仅对时间分辨电子衍射研究起到推动作用,也将极大地促进超快电子显微镜、相干衍射成像以及叠层成像等的发展.本综述以相干性为主线,介绍了几种常用平面阴极光电发射源的研究进展,并从产生机理、独有特性和实验成果方面讨论了尖端发射源和冷原子电子源这两类新型的高相干超快电子源,最后对衍射技术的相干性发展和未来应用进行了展望.     

超快电子衍射技术及其应用

时间和空间上实时观测原子运动对于自然科学研究有着非常重大的意义, 而超快电子衍射(UED)技术同时具备飞秒激光脉冲的高时间分辨特性和电子衍射技术的高空间特性, 可以为实时观测原子级分辨尺度物质的结构变化提供一种有效工具. 本文综述了超快电子衍射技术的发展历史、实验方法以及相关应用, 并且展望了超快电子衍射技术未来的发展.     

室温下金属中电子格林艾森常数的测量

在室温条件下用自己研制的超快电子衍射实验设备精确测量了金属铝的电子格林艾森常数(γ_e).当飞秒脉冲激光瞬间加热铝膜时,电子和晶格对固体热膨胀的作用在时间域上是不同步的,借助于超快电子衍射实验设备的高时间分辨能力,可以摆脱以往测量非磁性金属材料时低温的限制,在室温条件下,实验通过直接观测瞬间加热的铝膜中电子和晶格对热膨胀的不同贡献得到电子的格林艾森常数. 关键词： 格林艾森常数 超快电子衍射 晶格热运动 电子热运动     

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%。     

基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究

超宽光谱的飞秒脉冲测量一直是超快激光领域的重要研究方向之一.常规的飞秒脉冲自相关方法是通过测量自相关倍频信号来获得,而倍频信号具有波长选择性,不同中心波长的飞秒脉冲测量需要更换不同的倍频晶体,十分不方便.因此,提出了一种改进型的瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)方法用于测量飞秒脉冲.该方法结合四波混频和频率分辨光学开关方法,其基本过程是将待测脉冲分为三束,其中两束脉冲经过精密的延时控制并聚焦在光学介质上达到时空重合,利用三阶非线性效应产生稳定的瞬态光栅作为开关光;另一束脉冲作为探测光与产生的瞬态光栅进行相互作用产生一个信号光,使用光谱仪对该信号光的光谱与延迟时间进行测量,并通过反演迭代算法处理而获取待测飞秒脉冲的光谱与电场信息.该方法只需要待测光的功率密度达到三阶非线性效应就可以实现测量,因此可以应用于任意中心波长的飞秒脉冲测量.利用该方法对中心波长分别为800 nm, 400 nm的飞秒脉冲,以及超连续亚10 fs的周期量级超宽光谱飞秒脉冲进行了测量,并与常规的干涉自相关仪器测量结果进行了比较,所得测量结果基本一致.实验结果表明,建立的基于TG-FROG方法对不同中心波长,不同脉冲宽度的飞秒脉冲测量是十分有效的.     

一种超快时间分辨速度干涉仪的设计和理论研究

在单发、超快时间分辨的测量技术中,线性啁啾脉冲和光谱仪的结合使用是一种常见方法.本文以成像型光谱仪为记录系统,利用线性啁啾脉冲的频-时对应关系,设计了一种应用于自由面速度超快测量的速度干涉仪.理论研究了其工作原理和适用范围,该速度干涉仪可以实现皮秒量级的时间分辨,且速度灵敏度可调、易调,大大拓宽了速度干涉仪的应用范围.数值模拟了系统的测速过程,结果表明,重建速度信号与给定物体速度符合得很好,进一步验证了系统的可行性.     

一种飞秒电子衍射系统的设计与分析

设计了飞秒电子衍射系统,详细分析了影响系统时间分辨率的因素,如阴极的材料及厚度、阴极附近场强、聚焦方式、偏转灵敏度及扫描速度等.设计的电子枪采用35 nm厚的Ag阴极,阴栅之间场强为10 kV/mm,磁线圈聚焦,偏转灵敏度为26.3 mm/kV的平折扫描板,5.5 kV/ns的扫描电压斜率,最终获得了1.45×108 m/s的扫描速度.计算出系统总的时间分辨率为500 fs左右.     

飞秒激光脉冲的谐波频率分辨光学开关法测量研究

建立了一台谐波频率分辨光学开关法(FROG)飞秒脉冲测量装置，利用该装置进行了掺钛蓝宝石飞秒激光脉冲的测量研究.在二次谐波自相关测得的时域和频域信号基础上，结合对信号光强度分布的计算机迭代处理，得到了有关飞秒激光电场、光谱及其相位的信息，所得脉宽与干涉测量的结果基本一致. 关键词： 频率分辨光学开关法(FROG) 迭代计算 飞秒激光 自相关     

强飞秒激光烧蚀石英玻璃的超快时间分辨光学诊断

采用超快时间分辨的光学诊断技术对飞秒激光脉冲烧蚀石英玻璃的动态过程进行了实验研究.首先,对烧蚀过程中石英玻璃外部的物质喷射进行了数字全息记录,获得了不同延迟时间下探测光的二维相位差分布图,并由此推断出了喷射物的成分和结构.此外,对石英玻璃内部的现象进行了时间分辨阴影图记录,从阴影图中观察到了石英玻璃内部的两个应力波的演化过程.这两个应力波与目标靶外部的两次物质喷射相关. 关键词： 脉冲数字全息 飞秒激光烧蚀 超快时间分辨 应力波     

基于相对论修正的飞秒电子衍射系统

对工作于扫描状态下的飞秒电子衍射系统电子束偏转量的计算方法作了理论研究.讨论了超短电子脉冲宽度的测量方法,比较了相对论效应对电子束的偏转量及对电子束脉冲宽度的的影响,并做了相应的数值计算.计算结果显示,在忽略了电场的边缘效应等因素后,电子束轴向速度的相对论修正与否对偏转距离和电子束脉冲宽度的影响分别达到20 mm和65 fs.     

单模块直线变压器脉冲前沿

从理论上对直线变压器驱动源（LTD）输出脉冲波形的前沿进行了分析,研究了不同前沿畸变情况下对应的电路参数,并给出了计算方法,得到了相对电压和相对时间的关系曲线。根据理论分析设计了单模块LTD,并根据设计参数进行了数值模拟,模拟得到的输出脉冲前沿约30 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV。最后进行了单模块LTD实验,测得输出脉冲前沿约35 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV的输出脉冲,与模拟结果基本一致。由于负载不完全匹配等因素的影响,波形后沿较差且有振荡,但仍符合设计要求。     

Luminescence and structural properties of thermally evaporated benzanthrone dyes thin films

We report optical and luminescence properties of 3-N, N-diacetylaminobenzanthrone thin films deposited on glass substrate by thermal evaporation. The structural and optical properties of organic thin films were studied by means of the confocal microscope with an input of femtosecond laser radiation, X-ray diffractometer, and scanning electron microscope (SEM). Intense luminescence with the maximum at 530 nm was observed when excited by laser radiation with the wavelengths 458, 476, 488, 496, 514 nm. In addition, the luminescence caused by two-photon absorption of femtosecond (fs) laser radiation has been investigated. Semi empirical calculations by AM1 and ZINDO/S methods and ab initio calculations using Gaussian software were carried out to estimate the electron system of structure. The calculations show planar configurations for the aromatic core and diacetylamino fragment of this compound. The study of the structure of benzanthrone derivative thin films with X-ray diffraction (XRD) methods, indicates the distance between molecular layers and ordered molecular fragments.     

Angular distribution of ejected electrons at the laser-cluster interactions

The histograms of deflection angles of electrons ejected from Xe clusters irradiated by femtosecond super-intense laser pulses are presented. The dependence of the angular distribution on the peak laser intensity, the pulse duration, and the cluster position is considered. A clear relationship between the final electron energy and the deflection angle is shown. The deflection angles are calculated by solving the relativistic equation of motion taking into account the Lorentz force and the Coulomb field of the ionized cluster. The ions in the cluster undergo sequential multiple ionization up to charge multiplicity Z = 26. The measurements of the electron angular distributions allow us to reproduce the imaging dynamics of outer ionization of the cluster at the leading edge of the relativistic femtosecond laser pulse.     

适用于表面分析的小型低能电子显微镜

介绍并表征了一套单法兰集成的低能电子显微镜. 这套显微镜中采用了10o偏转角的磁分束器,从而有利于将其集成到一个10 in的法兰上. 电子光学系统中的一些修正单元被简化,以使其结构简单,容易操作. 样品被置于地电位,方便各静电透镜浮在高电压上. 通过几个实验展示了这台显微镜在典型的低能电子成像、低能电子衍射和光电子成像模式下的性能. 低能电子成像的空间分辨率为51 nm. 利用飞秒激光做光源,相应的非线性光电子发射过程使得这台设备非常适合进行光学近场现象的观察,并获得110 nm的光电子成像空间分辨率.     

Control over the space-time structure of electron beams by high-intensity femtosecond laser radiation

The space-velocity distribution of electrons propagating in vacuum can be deformed by the ponderomotive potential produced by high-intensity femtosecond laser pulses, which makes it possible to subsequently separate such electrons from the initial beam. It is shown that optical modification of electron beams with kinetic energies on the order of 100 eV by femtosecond laser radiation with an intensity from 10¹⁴ to 10¹⁸ W/cm² makes it possible to form electron beams with a duration on the order of 50–100 fs. Examples of optical control over the shape of electron beams, based on deflection, reflection, focusing, and splitting of electron beams, are considered.     

Measurement of the Gaponov-Miller force produced in vacuum by tightly focused intense femtosecond laser radiation

A method for measuring the Gaponov-Miller force (GMF) is demonstrated based on the deflection of a picosecond photoelectron beam exposed to tightly focused intense femtosecond laser radiation. It is shown experimentally that the action of this force produced by femtosecond laser pulses linearly depends on their intensity. The method can be used to verify the correctness of measuring the duration of an ultrashort electron bunch based on the GMF.     

光电子能量角度分布和空间电荷效应对变像管条纹相机的影响

基于飞秒条纹相机系统和飞秒电子衍射系统设计需求,通过蒙特卡罗方法模拟研究了在阴栅加速区光电子能量、角度分布和空间电荷效应对光电子时间弥散和能量弥散的影响。确定了紫外和软X射线波段入射光电阴极时,光电子六种初始能量分布的时间弥散精确值。分析了光电子发射电流密度、加速电场和时间弥散的关系。发现了电子脉冲在加速区轴向速度的线性啁啾、能量弥散变化和在自由区不相同。     

飞秒电子衍射系统中调制传递函数的理论计算

主要介绍了飞秒电子衍射系统的组成及设计指标. 包括光电阴极、电子聚焦系统、电子偏转系统、双微通道板(MCP)电子探测器等，并给出了基本的设计思路、设计结果. 光电阴极是由位于蓝宝石晶体上面的银膜构成，为了获得足够小的电子束斑以及减小电子上靶时的角度，紧贴栅极后放置一个100μm的小孔，对电子束的形状和大小进行限制. 采用磁电子透镜进行聚焦，电子衍射图样由放置在样品后面的双MCP像增强器进行探测. 在设计计算时，用Monte Carlo方法对光电子的初能量、初角度以及初位置分布进行抽样，用有限元法计算磁透镜 关键词： 飞秒电子枪 有限元法 Monte Carlo模拟 调制传递函数     

Observation of coherent optical phonons excited by femtosecond laser radiation in Sb films by ultrafast electron diffraction method

The generation of coherent optical phonons in a polycrystalline antimony film sample has been investigated using femtosecond electron diffraction method. Phonon vibrations have been induced in the Sb sample by the main harmonic of a femtosecond Ti:Sa laser (λ = 800 nm) and probed by a pulsed ultrashort photoelectron beam synchronized with the pump laser. The diffraction patterns recorded at different times relative to the pump laser pulse display oscillations of electron diffraction intensity corresponding to the frequencies of vibrations of optical phonons: totally symmetric (A _1g ) and twofold degenerate (E _g ) phonon modes. The frequencies that correspond to combinations of these phonon modes in the Sb sample have also been experimentally observed.