依據(jù)自由電子激光（FEL）超快輻射脈沖電離產(chǎn)生光電子波包受單周期太赫茲場調(diào)制的原理,發(fā)展了光電子全動量動力學(xué)模型,并通過光電子終態(tài)能譜在太赫茲場矢勢零點的展寬來復(fù)原FEL脈沖長度。進一步分析比較不同脈沖長度的光電子波包在不同延時處脈沖復(fù)原的誤差,評估了實際測量中時間同步的精度要求。另外,還提出了一種測量雙脈沖延時的方案,并通過數(shù)值計算驗證該方案的準(zhǔn)確性。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報. 2020,40(06)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

太赫茲場調(diào)制FEL脈沖激發(fā)光電子物理過程原理示意圖

為了更加準(zhǔn)確地計算光電子受太赫茲場的調(diào)制作用，采用了光電子全動量模型，即考慮了光電子波包中不同初始能量的光電子處于太赫茲調(diào)制場不同相位的所有可能性。根據(jù)（2）式可知，光電子經(jīng)過太赫茲調(diào)制后動量的變化量主要取決于其電離時對應(yīng)的太赫茲矢勢強度（即太赫茲電場強度在不同相位處的時間積分）。圖2(a)～(c）所示為初始光電子波包在單周期太赫茲場中調(diào)制的模擬結(jié)果，橫坐標(biāo)表示輻射脈沖電離產(chǎn)生光電子瞬時所處太赫茲場的相位，縱坐標(biāo)表示光電子的初始能量范圍，而圖中不同顏色則代表在光電子脈沖中具有不同初始能量在太赫茲場不同相位處調(diào)制后光電子的終態(tài)能量。若考慮輻射脈沖為高斯脈沖（時域和能譜均為高斯包絡(luò)），可構(gòu)建初始光電子波包的能量-時間分布（初始三維光電子波包的構(gòu)型示意圖如圖1所示）。當(dāng)初始光電子波包處于與太赫茲調(diào)制場矢勢某一相位（延時）時，利用上述全動量動力學(xué)模型可得到對應(yīng)初始光電子波包在太赫茲調(diào)制場作用下的光電子終態(tài)能量分布。將該終態(tài)能量分布范圍分為許多能帶區(qū)間，通過上述模型可找出其對應(yīng)的初始態(tài)，即具有不同初始能量的光電子處于不同太赫茲矢勢相位，經(jīng)太赫茲調(diào)制作用具有相同的終態(tài)能量。將初始光電子波包中所有對應(yīng)的初始光電子強度疊加即可求得光電子終態(tài)能量不同能帶區(qū)間的光電子強度分布。依次掃描初始光電子波包時間切片與太赫茲調(diào)制場矢勢零點之間的延遲，并重復(fù)以上在終態(tài)能量某一能量區(qū)間中光電子能譜強度的計算，就可以得到在不同延遲時刻的光電子能譜。圖2(d)～(f）為50fs的FEL脈沖激發(fā)的光電子波包相對于太赫茲矢勢零點延時分別為-60,0,60fs時，終態(tài)光電子能譜分布。對應(yīng)光電子能譜的寬度（FWHM）分別為11,11.5,11.68eV，相對于未經(jīng)太赫茲場調(diào)制的初始光電子能譜的寬度4.08eV有明顯的展寬。這里設(shè)50fs的FEL脈沖為非全相干的輻射脈沖，比如自放大自發(fā)輻射（SASE）出光模式中其頻譜包含多個毛刺，其頻譜寬度遠大于全相干脈沖傅里葉極限變換的能譜寬度。另外在50～100eV光電子能量區(qū)間，通用的E-TOF譜儀能量分辨率在2～3eV，考慮實驗中的其他因素的影響，設(shè)初始光電子能譜的寬度為4.08eV。2.2 利用能譜展寬計算脈沖長度

圖3(a)～(c）所示為脈沖寬度分別為35,20,10fs的FEL脈沖在延時零點處調(diào)制后光電子終態(tài)能譜強度分布圖，光電子能譜寬度分別為8.57,5.93,4.62eV。圖中紅色曲線標(biāo)示只由FEL激發(fā)未經(jīng)太赫茲調(diào)制的初始能譜，通過比較可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過調(diào)制后的光電子能譜發(fā)生了明顯的展寬。當(dāng)初始光電子波包處于與太赫茲調(diào)制場矢勢零點附近時，太赫茲矢勢的符號在其矢勢零點反轉(zhuǎn)，使得處于不同太赫茲相位處的光電子受到不同的調(diào)制作用。處于光電子波包前端的速度較大的光電子經(jīng)過太赫茲場調(diào)制后進一步加速，最終能量變大；而處于電子波包尾部速度較小的光電子經(jīng)過調(diào)制后進一步減速，最終能量變小，故矢勢零點調(diào)制后的光電子能譜明顯展寬。由圖3(a)～(c）所示，當(dāng)FEL脈沖寬度減小時，受相同太赫茲場的調(diào)制能譜展寬幅度逐漸減�。僭O(shè)FEL脈沖激發(fā)光電子的初始能譜的寬度保持不變）。在計算初始光電子波包受太赫茲場調(diào)制時，F(xiàn)EL脈沖長度對應(yīng)于光電子波包的高斯時間分布包絡(luò)，長脈沖包絡(luò)在相同光電子初始能量及相位調(diào)制區(qū)間，光電子強度時間分布更寬，在進行不同能帶區(qū)間疊加時，初始光電子能譜上表現(xiàn)為總幅值更大；反之，F(xiàn)EL短脈沖對應(yīng)的光電子時間分布較窄，在進行不同能帶區(qū)間疊加時，初始光電子能譜總幅值更小。調(diào)制后的光電子強度與不同積分區(qū)間的初始光電子強度是一一對應(yīng)，由此可知，不同長度FEL入射脈沖在相同光電子終態(tài)能量處對應(yīng)的初始光電子強度不同，表現(xiàn)為不同能量區(qū)間疊加后得到的終態(tài)光電子能譜的展寬也隨之不同。FEL輻射脈沖長度越長，太赫茲調(diào)制后的光電子能越寬。而未受調(diào)制作用的初始光電子能譜的寬度保持不變，與FEL脈沖長度無關(guān)，基本保持為一常數(shù)，如圖3中紅色高斯曲線所示。另外，在對初始光電子波包的模擬過程中，使用的是脈沖長度的均方根寬度。但在計算過程中初始光電子能譜的寬度和經(jīng)過太赫茲調(diào)制場后的光電子能譜時，采用了頻譜的半高全寬。所以，先根據(jù)半峰全寬光譜與脈沖均方根光譜間對應(yīng)的系數(shù)關(guān)系求得對應(yīng)頻譜均方根寬度，再根據(jù)（7）式計算FEL脈沖的均方根脈沖寬度。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于傾斜波前技術(shù)的高能強場太赫茲輻射脈沖源[J]. 吳曉君,郭豐瑋,馬景龍,歐陽琛,王天澤,張保龍,王暄,李尚卿,孔德胤,柴姝愫,阮存軍,苗俊剛,李玉同.  中國激光. 2019(06)
[2]基于超快動力學(xué)模型的阿秒脈沖復(fù)原方法[J]. 邵任之,李賓.  光學(xué)學(xué)報. 2018(09)



本文編號：2960222