上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院張杰院士和向?qū)Ы淌陬I(lǐng)導(dǎo)的課題組與華東師范大學(xué)、中科院上海光機(jī)所、西北核技術(shù)研究所等國(guó)內(nèi)外同行合作，利用兩個(gè)偏振態(tài)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(zhì)波導(dǎo)中以太赫茲波長(zhǎng)為時(shí)間基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)論能量級(jí)電子束完整時(shí)間信息的精確測(cè)量，并獲得3 fs的超高時(shí)間分辨率。該工作作為“編輯推薦”（Editors' Suggestion）文章發(fā)表在2019年4月的《物理評(píng)論快報(bào)》 【L. Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 122, 144801 (2019)】；作為本期的亮點(diǎn)文章之一（Featured in Physics），Physics以‘Ultrafast oscilloscope for ultrashort electron beam’為題目對(duì)該工作進(jìn)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(duì)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(qū)動(dòng)先進(jìn)加速等裝置中有著廣泛的應(yīng)用；因此，精確測(cè)量超短電子束的完整信息（包括脈寬和到達(dá)時(shí)間）至關(guān)重要。該課題組在2018年利用太赫茲在超材料中實(shí)現(xiàn)了對(duì)相對(duì)論電子束streaking【L. Zhao et al, Phy. Rev. X 8, 021061 (2018)】；在此基礎(chǔ)上，該課題組進(jìn)一步借鑒傳統(tǒng)示波器里對(duì)待測(cè)信號(hào)利用兩個(gè)極板偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生二維圖像的方法，利用兩束相位差為90度且偏振態(tài)方向互相垂直的線偏振太赫茲脈沖，在大孔徑介質(zhì)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束進(jìn)行螺旋偏轉(zhuǎn)，大幅提升了該方法的實(shí)用性和測(cè)量范圍（dynamic range）。比如上圖左中7個(gè)時(shí)間間隔相同的電子束，由于傳統(tǒng)方法使用的線偏振太赫茲的場(chǎng)強(qiáng)為正弦分布，因此只有中間三個(gè)紅色電子感受到線性的作用力能被準(zhǔn)確測(cè)量；該方法對(duì)應(yīng)的測(cè)量范圍約為四分之一波長(zhǎng)。利用新發(fā)展的太赫茲示波器技術(shù)，電子被螺旋偏轉(zhuǎn)，如上圖右所示，測(cè)量范圍增加為整個(gè)波長(zhǎng)。

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

通過改變兩束THz脈沖的延時(shí)，可對(duì)合成的THz偏振態(tài)進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)一步對(duì)THz脈沖的包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了大于一個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量范圍；結(jié)合該方法的高時(shí)間分辨率，直接重現(xiàn)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(tái)加速器比作一個(gè)人的話，束流測(cè)量系統(tǒng)就是這個(gè)人的眼睛。對(duì)于基于超短電子束的加速器裝置，最難測(cè)量的參數(shù)便是電子束縱向分布及其相對(duì)于激光/太赫茲的時(shí)間抖動(dòng)，而這些測(cè)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(shí)間分辨率預(yù)期將對(duì)提高超快電子衍射裝置的時(shí)間分辨率、提高逆康普頓散射裝置的電子-激光對(duì)撞時(shí)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(jìn)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(xiàng)目（No. 18JC1410700）、基金委國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目（No. 11327902）和基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目（No. 11721091）資助，論文第一作者為博士生趙凌榮。