Nat. Commun. | 时间分辨达到飞秒级别的超快示波器

论文概述

      实时记录超快电磁波波形对于超快探测有着重要价值。目前主要采用相干测量、电光晶体采样等间接手段来达到电磁波波形记录的目的，但由于这些间接测试会带来许多误差，使得采集到的电磁波波形容易失真，因此，发展一种新型波形记录技术是非常必要的。

     在以上的背景下，Young Uk Jeong研究团队采用了运动的电子束来反应波形的方法，相关工作于11月25日发表自然旗下期刊Nature Communications。

研究内容

      由于电磁波的电场分量能够对电子产生力的作用，因此当一束运动的电子被一个电磁脉冲作用时，其运动方向会发生偏转，偏转的角度与受到的电场强度成比例，因此当用一个荧光屏来接受电子的轨迹，就能够通过电子轨迹的变化来反应受到的电磁脉冲电场强度分布。这其实就是阴极射线管示波器的工作原理。

      但是超短激光脉冲的脉冲时间很短，甚至在飞秒(1飞秒=10^-15秒)量级，如果是一个电子与激光脉冲相遇，那么电子的偏转轨迹只能反应其与脉冲相遇那一时刻的电场强度，这里我们注意，空间的一点反应了脉冲时间长度的一个时刻，因此，如果用在时间长度方向上的一排电子去和脉冲相遇，那么空间上的一个序列理论上将反应脉冲时间长度上的一段时间的电场强度分布。基于这个原理，我们就可以构建一个基于电子束序列的超快示波器，用来实时反应电磁脉冲的强度。

      基于上述想法，来自韩国的Young Uk Jeong研究团队就在实验上构建了这样一个设备，并且在太赫兹波段实验验证了该方法的优越性。其原理见图1，他们采用激光激发靶材产生电子束，然后用了两个金属狭缝。第一个狭缝(图1灰色狭缝)的作用是将产生的在空间上呈现圆形分布的电子束变为沿着x方向线条排列的一个电子序列，而在y方向上接近为1维电子，如果在y方向展宽的话，那么众多电子就会重叠模糊，最后影响波形分辨率和清晰度。第二个狭缝(图1中黄色狭缝)为一个薄金属狭缝，其作用是提供一个波导环境，沿着z方向运动的电子束就是在这里和沿着x方向传播的电磁脉冲相遇，然后出射后在x方向的偏转大小分布将反应电磁脉冲的时间强度分布。最后在荧光屏上显示图像，从而完成了电磁波波形的记录。

      他们利用这个设备对太赫兹进行了波形记录，所采用的太赫兹脉冲时间在皮秒级别，记录结果见图3，可以看到，在水平方向，时间分辨率达到了13.2fs，在垂直方向上，分辨率达到了120V/m，其所记录的脉冲最大值为5*10⁵V/m，所以在垂直上的分辨率达到了千分之一的比例。

      他们对比了论文中提出的方法和传统的电光晶体采样得到的结果，由于电磁波在晶体界面和空气的分界面处会有多次反射，因此电光晶体采样的方法会在波形上出现回波，造成波形失真，见图3a中黄色线条，而基于电子束的示波器波形记录就没有这个问题。时域上波形的失真会带来频域上频率的失真，简图3b图。该结果也显示了基于电子束序列的超快示波器在实际中应用的优越性。

观点评述

      这篇文章所使用的方法不是首次提出，但是确实第一次比较巧妙了采用金属狭缝来获得横向分布比较宽的电子束序列，使得从电子的空间分布轨迹能够反推电磁波时域强度分布。虽然可以做到超快记录、波形高度保真、THz级别的带宽这些优点，但是在实际应用中还是有一些难以克服的地方。

      首先整套系统涉及到相对论电子的运动，其速度接近光速，因此要求真空环境；其次电子束产生、运动后的轨迹采集使得整套设备体积庞大，所以在校准太赫兹波形方面可以有潜在的应用，但是还是不能代替传统的电光晶体采样。

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