2023年6月，Optics Express杂志（光学快讯）发表了电气学院樊宽军教授课题组与大阪大学、俄罗斯布德克核物理研究所关于飞秒电子束串诊断的最新联合研究成果。“Towards precise diagnosis time profile of ultrafast electron bunch trains using orthogonal terahertz streak camera”（利用正交太赫兹条纹相机精确诊断超快电子束时间序列）。博士生徐阳为第一作者。

《Optics Express》是美国光学学会（OSA）出版的研究领域为物理-光学的开源期刊，是世界上第一本国际光学全电子期刊。Optics Express 每两周出版一次，提供 OSA 质量、快速出版光学科学和技术所有领域的原创、同行评审文章。

在自然科学研究中，有很多发生在分子、原子甚至更微观层面上的超微超快过程。揭示这些过程的机制是解决许多重大学术问题的基础，是众多学术前沿的关注点。因此如何直接观测这类信息一直是科学家奋斗的方向。结合超快激光技术，可以利用电子从空间和时间两个维度来探测物质的超快动力学过程。其中，电子束纵向长度是衡量超快过程的时间标尺。但是电子之间的库伦力使得电子束的长度在传播过程中会发生非线性变化，导致时间刻度的不确定性。因此，准确的测量出电子束团的长度，对于解析超快动态过程极为重要。

通过“时空转换”把电子束的时间信息转换为空间信息，是一个有效方法。传统的方法是用射频（RF）技术操控电子束。然而，受限于射频幅值和相位抖动问题，分辨率的提升陷入瓶颈。华中科技大学樊宽军课题组与日本大阪大学杨金峰教授、俄罗斯布德克核物理研究所Meshkov教授合作提出利用太赫兹操控超快电子脉冲序列实现放大时间方法-二维条纹相机，同时实现电子脉冲序列的电子束长度、间隔长度以及电子束的分布精确测量的方法。

图1： 二维太赫兹条纹相机示意图

该研究借助亚波长结构（SRR）并利用太赫兹驱动，使得射频击穿场强达到到GV/m，极大提高了SRR内偏转场梯度实现精确操控电子束。由于驱动太赫兹与激励光阴极电子枪产生电子束的激光来自于同一激光系统，保证了电子束和SRR内太赫兹偏转场的内在同步性。这使得系统的时间分辨率提升到飞秒至亚飞秒量级。

为了满足长时间段的超快过程探测，需要一串电子束照射样品。由于一串中的束团间距很小，传统的测量方法只能用于单个束团的诊断，无法对串中每个束团及其间隔进行独立测量。本研究提出了利用正交太赫兹场诊断电子束串的时间信息—二维条纹相机概念。这种全光方法使用两个SRR来操纵电子束。上游的SRR提供一个高梯度的条纹太赫兹场，把电子束时间长度投影放大到屏幕上实现时间测量。下游SRR产生的衰减场，使得后续的电子束依次获得不同程度的离轴偏移，在探测器屏幕上形成清晰的图像，从而可以同时获得电子束长度信息和束间的长度信息。除此之外，该研究还实现了电子束内的电子空间分布信息，为进一步研究空间电荷对电子束的行为演化影响提供了有力的依据。

该研究以六个电子束组成的电子束串为例，证明电子束长度测量的时间分辨率优于2.5 fs，电子束之间的间隔测量时间分辨率优于1 fs。该方法可进一步拓展，为束团串的诊断提供了新方法，能提升超快电子衍射成像质量，并为桌面加速器光源，太赫兹加速结构的发展提供新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.488132