圖1(a)太赫茲驅動孤立亞飛秒電子脈沖產生的系統(tǒng)設計圖。(b)蝴蝶形諧振器內部的電場分布。(c)最終獲得的817as的孤立電子脈沖。(d)入射太赫茲電場與諧振器內部增強的電場的對比。(e)初始電子脈沖寬度與太赫茲脈寬的對比。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室研究團隊在太赫茲驅動的亞飛秒孤立電子脈沖產生方面取得重要進展。相關成果以“A Design for Terahertz-driven Isolated Sub-femtosecond Electron Pulse”為題發(fā)表于Applied Physics Express。

孤立電子脈沖是解析物質超快動力學的關鍵探針，尤其是在亞光學周期尺度。當前超快電子顯微鏡雖已實現(xiàn)阿秒尺度電子脈沖串，但其固有的光學重復頻率脈沖串特性，對于弛豫時間較長的超快過程研究構成挑戰(zhàn)。因此，能夠提供單次激發(fā)、孤立存在的超短電子脈沖技術備受期待。

研究團隊從傳統(tǒng)的射頻(RF)偏轉腔思路出發(fā)，創(chuàng)新性地將其“壓縮”并提升至太赫茲(THz)頻段。通過一個特殊設計的蝴蝶形的諧振器，當峰值場強為0.3GV/m的太赫茲脈沖入射時，結構內可以在中心區(qū)域產生高達13.9GV/m的強太赫茲電場(場增強因子為40.5)。這個強大的瞬時電場對穿過諧振器的電子束產生劇烈的橫向偏轉，電子束在太赫茲電場的零交叉點附近通過時，偏轉最小。通過在諧振器下游精準放置一個亞微米孔徑，即可“切片”出該時刻附近未被顯著偏轉的孤立電子脈沖。仿真結果表明，利用該方案，可將當前超快電子顯微鏡中常見的500飛秒初始電子脈沖高效地“切割”成一個持續(xù)時間僅為817阿秒(1阿秒 = 10-18秒)的孤立脈沖。該研究成果不僅為在超快電子顯微鏡中實現(xiàn)阿秒級時間分辨率提供了一種極具潛力的新路徑，也為研究光與物質在極端時空尺度上的相互作用、開發(fā)新型超快電子源及相干輻射源開辟了新方向，展現(xiàn)了太赫茲技術在操控超快電子束方面的獨特優(yōu)勢和應用前景。

相關工作得到了國家自然科學基金等項目支持。

審核編輯 黃宇