TDLI RESEARCH ACHIEVEMENTS
亚飞秒指的是小于10-15秒这一时间尺度，可以用来衡量原子分子内的电子运动等超快物理过程。宽度在亚飞秒量级的电子束在如超快电子成像、电子衍射和显微技术等研究领域中有诸多用途。这样的电子束也可以作为辐射产生的次级源，用以产生亚飞秒光脉冲。目前已经有大量理论和实验研究使用强飞秒激光脉冲与物质之间的非线性相互作用来产生相对论亚飞秒电子束。然而，这样的电子束通常为一系列束团组成的链，其总脉宽和驱动激光的长度基本一致。对于孤立电子束的产生，当前大多数理论方案依赖超短（少周期）驱动激光脉冲与纳米尺度靶的相互作用。驱动激光的脉宽一般需要小于5飞秒，这使得实验上产生孤立亚飞秒电子束极具挑战性。
图1：(a) 偏振调制驱动激光（沿x方向传播）在y-z-t空间内的三维电场分布，以及其在y-z，y-t，z-t平面上的二维投影。Φ表示激光的偏振方向与y轴的夹角。(b) 方案示意图。橙色的点表示能量大于5.1兆电子伏特的高速电子。
近日，李政道研究所易龙卿团队提出了一种产生孤立亚飞秒电子束的新方案，它基于一束偏振调制的相对论强激光在固体薄靶边缘衍射的物理过程。驱动激光的脉宽为几十飞秒，这在现今许多激光实验装置中是容易实现的。激光脉冲的上升沿和下降沿均为线偏振，且偏振方向相互垂直；而在激光的中心部分，两个线偏振分量相互重叠，光偏振角在几个光周期内旋转了90°，如图1(a)所示。 图1(b)展示了方案的示意图，当这束激光照射到固体薄靶边缘时，电子被激光场从靶中拉出，随后在激光场中获得加速。
图2：(a) 高速电子在运动方位角(Φ)-极角(θ)空间中的密度分布。(b) 高速电子在运动方位角(Φ)-时间(t)空间中的密度分布。其中I和II标注出了两个高密度的电子束。 (d)(d) 在特定的方位角收集到的I和II两个电子束的电流随时间的分布。(e)I和II两个电子束的能谱。
电子离开固体薄靶后，首先在强激光的近场衍射光场中被迅速加速到相对论能量，进而能够有效抑制由于自身电荷导致的空间展宽。之后在真空激光加速机制的作用下被加速到100 MeV左右。在这一过程中电子运动的方位角由激光偏振方向决定。因此，被激光中心部分不同光周期加速的电子束之间将会被出射至不同的方位角。如图2(b)所示，I和II两个电子束运动的方位角分别位于235°和195°附近。正是由于两个电子束的方位角分布范围不重叠，一定距离之外，于特定的方位角范围内可以接收到孤立电子束，如图2(c-d)。三维数值模拟的结果显示电子束的电荷量为几十皮库，宽度大约为200到300阿秒。两个正交线偏振分量之间重叠的光周期数,以及其强度比作为方案中的两个主要自由度可用于调整控制电子发射过程。
该成果于近期发布在Physical Review Letters期刊上。论文的第一作者是李政道研究所的博士后胡可，通讯作者是李政道研究所的易龙卿副教授。研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.045001
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文稿 | 胡 可
编辑 | 孟闻卓
