【產(chǎn)通社，9月11日訊】上海交通大學(xué)（Shanghai Jiao Tong University, SJTU）官網(wǎng)消息，張東方課題組與德國電子同步輻射加速器研究所Franz X. K?rtner課題組合作，在《Nature Photonics》上發(fā)表題為“High gradient Terahertz-driven ultrafast photogun”的研究成果。文章報(bào)道了在全光學(xué)太赫茲驅(qū)動(dòng)電子槍研究方面的最新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了全光學(xué)太赫茲驅(qū)動(dòng)電子槍在加速梯度、電子能量、光束質(zhì)量以及光束控制等方面的全新紀(jì)錄，并在國際上首次實(shí)現(xiàn)了太赫茲驅(qū)動(dòng)光電子槍在電子成像和衍射等方面的實(shí)際應(yīng)用，邁出了開發(fā)全光學(xué)太赫茲驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備里程碑式的關(guān)鍵一步，為未來太赫茲驅(qū)動(dòng)加速器技術(shù)在臺(tái)面式輻射源和超快電子衍射以及成像中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

高品質(zhì)超短電子束是人們研究和探索極端時(shí)空尺度下微觀物質(zhì)世界的有力工具，被廣泛應(yīng)用于超快電子衍射、超快成像以及超快X射線源等領(lǐng)域，極大推動(dòng)了前沿科學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展。傳統(tǒng)基于射頻加速的電子源由于造價(jià)昂貴、體積大、建設(shè)周期長等挑戰(zhàn)，極大限制了其在科學(xué)領(lǐng)域的普及應(yīng)用。因此，探索新型的緊湊型電子加速技術(shù)已成為加速器領(lǐng)域的重要研究方向之一。近年來，太赫茲驅(qū)動(dòng)的電子加速技術(shù)由于其較高的加速梯度和穩(wěn)定性備受矚目，這一技術(shù)有望將加速器縮小到桌面規(guī)模，在未來高能量、高重復(fù)率的小型化超快電子源的研發(fā)中有著巨大的應(yīng)用前景。

在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)基于上海交通大學(xué)100mJ碟片激光平臺(tái)，通過在微腔中集成可移動(dòng)的針尖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了加速場的場增強(qiáng)以及加速相位的精確控制，在亞毫米量級(jí)上實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)的電子產(chǎn)生、加速與壓縮。通過調(diào)節(jié)針尖陰極的位置可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的相互作用長度，從而在任意太赫茲能量下均能實(shí)現(xiàn)全束團(tuán)加速，大幅抑制了傳統(tǒng)加速器中加速過程的相位失配問題。此外，受益于針尖陰極的場增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)利用數(shù)十微焦耳的太赫茲脈沖實(shí)現(xiàn)了高達(dá)～3 GV/m的峰值加速梯度，這也是迄今為止在光驅(qū)動(dòng)電子槍中報(bào)道的最高加速梯度。

研究團(tuán)隊(duì)首先在單層太赫茲電子槍中開展了高梯度電子加速的研究。在2×8 μJ太赫茲能量下，實(shí)現(xiàn)了最大電子能量增益～14keV、能散～1%、電荷量～10 fc，相較于當(dāng)前世界上已報(bào)道的結(jié)果提高了一個(gè)量級(jí)。此外，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)束流橫向發(fā)散度進(jìn)行了表征，測(cè)量結(jié)果顯示電子束橫向發(fā)散度約為0.02mm mrad，最小聚焦光斑束徑低于90 μm，這也是太赫茲驅(qū)動(dòng)電子源達(dá)到的創(chuàng)紀(jì)錄的低發(fā)散度。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過集成可拓展的多功能電子操控微腔，進(jìn)一步驗(yàn)證了在亞毫米量級(jí)上實(shí)現(xiàn)電子精密調(diào)控的可行性。通過高度集成的聚束腔，束流脈寬被進(jìn)一步壓縮至167 fs，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10倍的壓縮比例。理論模擬顯示，在沒有聚束腔的情況下，低能電子束在經(jīng)過數(shù)毫米的傳輸后會(huì)迅速展寬至幾個(gè)皮秒，從而超出太赫茲聚束腔所支持的時(shí)間窗口，進(jìn)一步說明了高度集成式太赫茲電子槍的重要性。

此外，為了進(jìn)一步測(cè)試該裝置的超高時(shí)空分辨能力，研究團(tuán)隊(duì)演示了首個(gè)全光太赫茲驅(qū)動(dòng)的飛秒電子槍的電子衍射以及超快投影成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的單晶硅衍射圖樣以及時(shí)間分辨的銅網(wǎng)投影成像，揭示了銅網(wǎng)上的帶電粒子在光激發(fā)后產(chǎn)生的瞬態(tài)徑向電場的動(dòng)態(tài)演化，為探測(cè)納米結(jié)構(gòu)中的超快電荷載流子動(dòng)態(tài)過程鋪平了道路。

本研究實(shí)現(xiàn)了全光太赫茲驅(qū)動(dòng)電子源從概念到實(shí)際科學(xué)應(yīng)用的跨越，在加速梯度、能量、能散、發(fā)散度及束長等關(guān)鍵參數(shù)上相較國際上報(bào)道的最好結(jié)果均提升了一個(gè)量級(jí)，并首次實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的電子衍射、成像以及高時(shí)空分辨率的瞬態(tài)場測(cè)量的應(yīng)用，驗(yàn)證了該技術(shù)的成熟性及其在精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，為未來發(fā)展緊湊型相對(duì)論電子束奠定了基礎(chǔ)。

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士生應(yīng)健瑋和何諧為本文共同第一作者，張東方副教授和Franz X. K?rtner教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金（12174255）、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（22JC1401900）以及歐盟科研基金的資助。查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問官方網(wǎng)站http://news.sjtu.edu.cn/jdzh/20240630/199576.html。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）