超快电子枪发射系统的优化设计

改进了超快电子衍射系统发射部分的数值计算模型和处理方法,使得计算结果更加接近于实际发射情形.研究了阴极表面面型对超快电子衍射系统时间分辨率的影响,提出了改进超快电子衍射系统时间分辨率的一个思路,该思路对于超快电子枪的设计及提高系统时间分辨率具有一定的作用.

双色场控制与测量原子分子超快电子动力学过程的研究进展

超短超快激光脉冲的出现为人们探索原子分子中超快电子动力学过程提供了强有力的工具.阿秒脉冲和强激光脉冲电场整形技术能够获得电子波包在亚飞秒时间尺度的动力学信息,发展出了一系列阿秒超快光谱学技术,如阿秒条纹相机、阿秒瞬态吸收谱等,成功地应用于原子、分子和固体中电子运动的探测.其中双色激光场就是通过电场整形技术实现电子相干运动控制和探测的一种重要手段,本文综述了中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室近几年来在双色场控制与测量原子分子超快过程方面的研究工作.

基于相对论修正的超快电子枪偏转扫描系统的理论研究

对工作于扫描状态下的飞秒电子衍射系统电子枪偏转量的计算方法作了理论研究,讨论了超快电子脉冲的测量方法,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计算结果的影响,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61.4mm和65fs。研究结果对超快电子枪偏转扫描系统的设计、对超短电子脉冲宽度的测量方法,尤其是对超短电子脉冲宽度的测量过程中的同步实验具有一定的指导意义。

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300fs,空间分辨能力160lp/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300μm,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%。

Ag：Bi2O3纳米颗粒复合薄膜的三阶光学非线性和超快电子动力学研究

金属纳米颗粒具有较小的尺寸和大的表面体积比，由于量子限制效应和表面效应，表现出特殊的电子和光学性质．迄今为止，研究者们已对金属颗粒掺杂浓度较低的复合材料的性质做了大量研究，而掺杂浓度较高的材料受到的关注较少．我们采用磁控溅射法制备出含Ag浓度较高(13at．％～59at．％)的Ag：Bi2O3复合薄膜，使用飞秒脉冲激光研究了此类材料的三阶光学非线性和超快电子动力学过程。

自支撑超快电子衍射薄膜制备方法的研究

具有自支撑能力的、具备晶格结构的超薄薄膜制作技术对超快电子衍射实验至关重要,薄膜的质量直接影响到后续实验的开展。文章重点介绍了超快电子衍射系统对薄膜样品的特殊要求,以及利用磁控溅射方法制作22.9nm薄膜的工艺过程。

近红外飞秒激光作用下金膜中的超快电子动力学

利用超快泵浦探测技术,研究了近红外飞秒强激光脉冲作用下,金膜中的超快电子动力学过程。研究发现,800 nm飞秒激光激发后,金膜的瞬态反射率存在一个下降过程。通过对金膜的瞬态反射率光谱进行分析和模拟,发现主要是自由电子弛豫和带间双光子跃迁这两种电子动力学过程综合作用的结果。利用双温模型,模拟了800 nm飞秒激光作用下金膜的温度弛豫和瞬态反射率变化过程,理论计算结果与实验结果符合良好。

超快电子枪时间分辨率测量方法的理论研究

分析了处于扫描状态的超短脉冲电子束在超快电子枪中的传输特性;讨论并获得了一种特定配置的电子枪偏转电压对电子束偏转距离的影响并讨论了截获条件;分析了电子枪偏转电压对电子束到达荧光屏位置的偏转距离的影响,并得到了在扫描状态下电子束能够出现在直径30mm的荧光屏的有效范围内的条件.依据以上结论,分析了时间-空间转换测量法在测量fs量级的电子脉冲宽度时所遇到的新的难题,设计了一个调节效率较高的实验系统,以解决扫描斜坡电压信号和超快电子脉冲的同步.

基于超快电子衍射的飞秒激光加工汽车用铝材超快超精细晶格动力学过程

为提高超短脉冲激光加工汽车铝制零部件的质量,通过超快电子衍射系统分析飞秒激光轰击下铝多晶薄膜的电子衍射时间分辨谱(小于40 ps):在亚毫埃米尺度及ps分辨率内,观测铝多晶声子系统热传导耦合过程,得到晶格温度、晶格结构参数的演化规律。研究原子运动和晶格结构沿各晶向的精细变化,并推断铝薄膜内部晶格结构改变为热致和非热致效应共同作用的结果。研究铝薄膜被飞秒激光加热后内部超快热传递和晶格改变过程,在原子尺度下精细描绘铝晶格动力学图像,可为飞秒激光加工汽车用铝材料技术提供理论依据和数据支持。

利用超快电子探针诊断受激拉曼散射静电波的数值模拟

利用二维粒子模拟程序EPOCH验证了超快电子束探针诊断受激拉曼散射产生的静电波的可行性。结果表明,电子束探针穿过静电波电场后会在电子束探针的横向上产生密度调制,密度调制呈周期性分布且沿静电波的传播方向移动,密度调制的波数对应静电波的波数且移动速度对应静电波的相速度,因此特定条件下可用于反推电子的温度、密度等信息。在诊断静电波的过程中,电子束探针的束长必须小于静电波的波长或者诊断设备的曝光时间必须小于静电波的周期。本研究提供了一种新型的直接诊断静电波和电子温度、密度的方法,对于推动受激拉曼散射等激光等离子体不稳定性的实验研究具有重要意义。

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。

超快电子衍射研究及发展综述

原子运动及相应的结构改变是自然界中化学反应、生命过程等现象的本质。因此,在原子层面实时间、实空间观测物质非平衡态的原子运动和结构演化过程,能深刻地解释这些现象的本质,将物质的微观动力学过程和其物理化学等特性联系起来,为科学突破创造了巨大的机遇。原子层面的动态过程的特征时间在皮秒、飞秒、甚至阿秒量级,目前只有泵浦-探测技术可以实现该量级的时间分辨率。超快电子衍射使用电子作为泵浦-探测技术中的探针,具有高弹性散射截面、低能量沉积、造价及维护成本低等优势,在近十余年间获得快速发展。该文总结近年来超快电子衍射中关键技术的发展,并对新一代超快电子衍射的发展趋势进行展望。

强激光场下固体表面超快电子动力学及辐射机制研究进展

强激光固体等离子体相互作用可以驱动电子加速,电子的动力学过程具有亚光周期特性,可以激发阿秒电子脉冲.通过对电子空间图像的分析,可以反演激光固体等离子体相互作用的超快时间动力学.电子的发射伴随着电磁辐射的产生,如高次谐波X射线、太赫兹辐射等,辐射波段和固体靶的结构有着密切的联系.强激光能量向辐射能量的转化和电子与表面场的作用时间成正比,因此有效控制自由电子和表面场的相互作用可大大提高激光能量向辐射场的转化效率.基于Biermann电池效应、Weibel不稳定性等机制,通过激光驱动的强流电子可以在固体表面激发千特斯拉量级的强磁场,磁场演化的时间尺度在皮秒量级.本文从强激光和固体等离子体作用的超快(阿秒级)动力学开始,分析了电子流在飞秒以及皮秒时间尺度上的辐射特性,介绍了强磁场的产生及其演化的超快动力学.强激光和固体等离子体相互作用包含了丰富的内容,阿秒物理、辐射机制、实验室天体物理等领域还有待我们继续深入研究.

用于超快扫描电子显微镜的光发射电子枪及电子光学模拟

超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合,能够实现高时空分辨率下光诱导表面电荷动力学的可视化研究,对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测具有非常重要的意义.本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的研制工作,阐述了将热发射电子枪改造成光发射电子枪后的参数化设计,定量分析了偏压,阴极、韦氏极、阳极的空间位置与交叉点位置、大小、发散角的依赖关系.分析结果显示,当韦氏极与阳极位置从8 mm调整到23 mm后,通过将灯丝深度从0.65 mm调整至0.45 mm,配合偏压调节可以实现热发射高分辨成像、低工作电压以及光发射的正常使用.此外,也分析了反射镜分布对电子光路的影响,发现当阳极高出反射镜1.4 mm后,图像畸变几乎消失.还研究了偏置电压对脉冲光电子在时域上的影响,结果表明随着偏压的增大,光发射的时间零点会推后且时间展宽变大.这些工作将为后续超快电子显微镜的发展及光发射电子源的设计奠定基础.

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500fs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.

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,20nm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.

基于光场的超快相干电子源产生及调控研究进展(特邀)

光与物质之间的相互作用是自然界中最基本的物质相互作用之一,这种动力学的完全可视化需要时间上的阿秒分辨率和空间上的原子级分辨率。超短相干电子源是实现这一目标的重要方法。本文介绍了利用各种光场如射频、太赫兹、可见光来产生、相空间调控甚至表征这种超短相干的高品质电子源的重要进展,并主要总结了其在四维超快电子显微镜方面的技术突破,为“阿秒显微镜”的建立开辟了道路,使对电子运动成像成为可能,最后对超快电子研究的发展进行了展望。

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.

四维超快电子衍射及显微成像:机遇与挑战

随着近年来超快电子衍射和电子显微镜的发展,一个崭新的结构动力学时代即将到来,这对中国和世界都是一个令人激动的时刻,同时也意味着巨大的机遇。本文将介绍该项新技术的最新进展,以及从物理、化学到生物方面的最新突破。各种机遇和挑战也将会在报告中提到。

超短电子脉冲的时空转换测量方法理论研究(英文)

分析了超快电子枪处于扫描状态下电子束的传输特性,对飞秒量级的超短电子束脉冲通过偏转扫描系统时的偏转距离等物理量进行了数值计算。计算结果显示:为确保电子束能够顺利通过偏转扫描系统并最后轰击直径为30mm的荧光屏,必须加一个700～1400V的初始电压,以便抵消负斜坡扫描电压的作用;700～1400V的初始电压和负斜坡扫描电压的共同作用,是扫描实验成功的一个前提。扫描实验成功的另一个前提是激发光电阴极的光路和控制扫描的电路之间的同步。讨论了前提一带给同步实验的巨大困难,并设计了一个可以在扫描实验中以较高效率调节光路延时的实验系统,该系统可解决脉宽测量实验中扫描斜坡电压信号和超快电子脉冲的同步难题。