上海交通大學物理與天文學院張杰院士和向導教授領導的課題組與華東師范大學、中科院上海光機所、西北核技術研究所等國內外同行合作，利用兩個偏振態方向相互垂直的線偏振太赫茲脈沖合成圓偏振脈沖，首次在介質波導中以太赫茲波長為時間基準實現對相對論能量級電子束完整時間信息的精確測量，并獲得3 fs的超高時間分辨率。該工作作為“編輯推薦”（Editors' Suggestion）文章發表在2019年4月的《物理評論快報》 【L. Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 122, 144801 (2019)】；作為本期的亮點文章之一（Featured in Physics），Physics以‘Ultrafast oscilloscope for ultrashort electron beam’為題目對該工作進行了特別介紹。圖片1.png

線偏振THz streaking方法的局限性及THz示波器獲得的對電子束螺旋streaking

超短電子束在自由電子激光、超快電子衍射、逆康普頓散射X光源、太赫茲驅動先進加速等裝置中有著廣泛的應用；因此，精確測量超短電子束的完整信息（包括脈寬和到達時間）至關重要。該課題組在2018年利用太赫茲在超材料中實現了對相對論電子束streaking【L. Zhao et al, Phy. Rev. X 8, 021061 (2018)】；在此基礎上，該課題組進一步借鑒傳統示波器里對待測信號利用兩個極板偏轉產生二維圖像的方法，利用兩束相位差為90度且偏振態方向互相垂直的線偏振太赫茲脈沖，在大孔徑介質波導中實現對電子束進行螺旋偏轉，大幅提升了該方法的實用性和測量范圍（dynamic range）。比如上圖左中7個時間間隔相同的電子束，由于傳統方法使用的線偏振太赫茲的場強為正弦分布，因此只有中間三個紅色電子感受到線性的作用力能被準確測量；該方法對應的測量范圍約為四分之一波長。利用新發展的太赫茲示波器技術，電子被螺旋偏轉，如上圖右所示，測量范圍增加為整個波長。

兩束THz脈沖相位差從0度到180度改變時所獲得的電子束streaking圖案

通過改變兩束THz脈沖的延時，可對合成的THz偏振態進行操控，實現對3 MeV電子streaking圖案從一維直線到二維橢圓和圓的切換，如上圖所示。

太赫茲示波器記錄大于50倍的電子束壓縮過程

該課題組進一步對THz脈沖的包絡進行調制，實現了大于一個波長的測量范圍；結合該方法的高時間分辨率，直接重現了電子束脈沖從大于2 ps （全寬）壓縮至15 fs （rms）的全過程：如上圖所示，壓縮過程中電子束頭部和尾部逐漸向中心匯聚。

如果把一臺加速器比作一個人的話，束流測量系統就是這個人的眼睛。對于基于超短電子束的加速器裝置，最難測量的參數便是電子束縱向分布及其相對于激光/太赫茲的時間抖動，而這些測量的精度在很大程度上也決定了此類裝置的性能。該‘太赫茲示波器’提供的超高時間分辨率預期將對提高超快電子衍射裝置的時間分辨率、提高逆康普頓散射裝置的電子-激光對撞時間精度以及提高太赫茲加速中電子與太赫茲的同步精度等有較大促進作用。

本工作主要由科技部青年973課題（No. 2015CB859700）、上海市科委重大項目（No. 18JC1410700）、基金委國家重大科研儀器研制項目（No. 11327902）和基金委創新群體項目（No. 11721091）資助，論文第一作者為博士生趙凌榮。