基于太赫兹调制的超快X射线脉冲长度复原方法
发布时间：2021-01-06 08:03
依据自由电子激光（FEL）超快辐射脉冲电离产生光电子波包受单周期太赫兹场调制的原理,发展了光电子全动量动力学模型,并通过光电子终态能谱在太赫兹场矢势零点的展宽来复原FEL脉冲长度。进一步分析比较不同脉冲长度的光电子波包在不同延时处脉冲复原的误差,评估了实际测量中时间同步的精度要求。另外,还提出了一种测量双脉冲延时的方案,并通过数值计算验证该方案的准确性。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(06)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
太赫兹场调制FEL脉冲激发光电子物理过程原理示意图
为了更加准确地计算光电子受太赫兹场的调制作用，采用了光电子全动量模型，即考虑了光电子波包中不同初始能量的光电子处于太赫兹调制场不同相位的所有可能性。根据（2）式可知，光电子经过太赫兹调制后动量的变化量主要取决于其电离时对应的太赫兹矢势强度（即太赫兹电场强度在不同相位处的时间积分）。图2(a)～(c）所示为初始光电子波包在单周期太赫兹场中调制的模拟结果，横坐标表示辐射脉冲电离产生光电子瞬时所处太赫兹场的相位，纵坐标表示光电子的初始能量范围，而图中不同颜色则代表在光电子脉冲中具有不同初始能量在太赫兹场不同相位处调制后光电子的终态能量。若考虑辐射脉冲为高斯脉冲（时域和能谱均为高斯包络），可构建初始光电子波包的能量-时间分布（初始三维光电子波包的构型示意图如图1所示）。当初始光电子波包处于与太赫兹调制场矢势某一相位（延时）时，利用上述全动量动力学模型可得到对应初始光电子波包在太赫兹调制场作用下的光电子终态能量分布。将该终态能量分布范围分为许多能带区间，通过上述模型可找出其对应的初始态，即具有不同初始能量的光电子处于不同太赫兹矢势相位，经太赫兹调制作用具有相同的终态能量。将初始光电子波包中所有对应的初始光电子强度叠加即可求得光电子终态能量不同能带区间的光电子强度分布。依次扫描初始光电子波包时间切片与太赫兹调制场矢势零点之间的延迟，并重复以上在终态能量某一能量区间中光电子能谱强度的计算，就可以得到在不同延迟时刻的光电子能谱。图2(d)～(f）为50fs的FEL脉冲激发的光电子波包相对于太赫兹矢势零点延时分别为-60,0,60fs时，终态光电子能谱分布。对应光电子能谱的宽度（FWHM）分别为11,11.5,11.68eV，相对于未经太赫兹场调制的初始光电子能谱的宽度4.08eV有明显的展宽。这里设50fs的FEL脉冲为非全相干的辐射脉冲，比如自放大自发辐射（SASE）出光模式中其频谱包含多个毛刺，其频谱宽度远大于全相干脉冲傅里叶极限变换的能谱宽度。另外在50～100eV光电子能量区间，通用的E-TOF谱仪能量分辨率在2～3eV，考虑实验中的其他因素的影响，设初始光电子能谱的宽度为4.08eV。2.2 利用能谱展宽计算脉冲长度
图3(a)～(c）所示为脉冲宽度分别为35,20,10fs的FEL脉冲在延时零点处调制后光电子终态能谱强度分布图，光电子能谱宽度分别为8.57,5.93,4.62eV。图中红色曲线标示只由FEL激发未经太赫兹调制的初始能谱，通过比较可以发现经过调制后的光电子能谱发生了明显的展宽。当初始光电子波包处于与太赫兹调制场矢势零点附近时，太赫兹矢势的符号在其矢势零点反转，使得处于不同太赫兹相位处的光电子受到不同的调制作用。处于光电子波包前端的速度较大的光电子经过太赫兹场调制后进一步加速，最终能量变大；而处于电子波包尾部速度较小的光电子经过调制后进一步减速，最终能量变小，故矢势零点调制后的光电子能谱明显展宽。由图3(a)～(c）所示，当FEL脉冲宽度减小时，受相同太赫兹场的调制能谱展宽幅度逐渐减小（假设FEL脉冲激发光电子的初始能谱的宽度保持不变）。在计算初始光电子波包受太赫兹场调制时，FEL脉冲长度对应于光电子波包的高斯时间分布包络，长脉冲包络在相同光电子初始能量及相位调制区间，光电子强度时间分布更宽，在进行不同能带区间叠加时，初始光电子能谱上表现为总幅值更大；反之，FEL短脉冲对应的光电子时间分布较窄，在进行不同能带区间叠加时，初始光电子能谱总幅值更小。调制后的光电子强度与不同积分区间的初始光电子强度是一一对应，由此可知，不同长度FEL入射脉冲在相同光电子终态能量处对应的初始光电子强度不同，表现为不同能量区间叠加后得到的终态光电子能谱的展宽也随之不同。FEL辐射脉冲长度越长，太赫兹调制后的光电子能越宽。而未受调制作用的初始光电子能谱的宽度保持不变，与FEL脉冲长度无关，基本保持为一常数，如图3中红色高斯曲线所示。另外，在对初始光电子波包的模拟过程中，使用的是脉冲长度的均方根宽度。但在计算过程中初始光电子能谱的宽度和经过太赫兹调制场后的光电子能谱时，采用了频谱的半高全宽。所以，先根据半峰全宽光谱与脉冲均方根光谱间对应的系数关系求得对应频谱均方根宽度，再根据（7）式计算FEL脉冲的均方根脉冲宽度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于倾斜波前技术的高能强场太赫兹辐射脉冲源[J]. 吴晓君,郭丰玮,马景龙,欧阳琛,王天泽,张保龙,王暄,李尚卿,孔德胤,柴姝愫,阮存军,苗俊刚,李玉同. 中国激光. 2019(06)
[2]基于超快动力学模型的阿秒脉冲复原方法[J]. 邵任之,李宾. 光学学报. 2018(09)
本文编号：2960222
【文章来源】：光学学报. 2020,40(06)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
太赫兹场调制FEL脉冲激发光电子物理过程原理示意图
为了更加准确地计算光电子受太赫兹场的调制作用，采用了光电子全动量模型，即考虑了光电子波包中不同初始能量的光电子处于太赫兹调制场不同相位的所有可能性。根据（2）式可知，光电子经过太赫兹调制后动量的变化量主要取决于其电离时对应的太赫兹矢势强度（即太赫兹电场强度在不同相位处的时间积分）。图2(a)～(c）所示为初始光电子波包在单周期太赫兹场中调制的模拟结果，横坐标表示辐射脉冲电离产生光电子瞬时所处太赫兹场的相位，纵坐标表示光电子的初始能量范围，而图中不同颜色则代表在光电子脉冲中具有不同初始能量在太赫兹场不同相位处调制后光电子的终态能量。若考虑辐射脉冲为高斯脉冲（时域和能谱均为高斯包络），可构建初始光电子波包的能量-时间分布（初始三维光电子波包的构型示意图如图1所示）。当初始光电子波包处于与太赫兹调制场矢势某一相位（延时）时，利用上述全动量动力学模型可得到对应初始光电子波包在太赫兹调制场作用下的光电子终态能量分布。将该终态能量分布范围分为许多能带区间，通过上述模型可找出其对应的初始态，即具有不同初始能量的光电子处于不同太赫兹矢势相位，经太赫兹调制作用具有相同的终态能量。将初始光电子波包中所有对应的初始光电子强度叠加即可求得光电子终态能量不同能带区间的光电子强度分布。依次扫描初始光电子波包时间切片与太赫兹调制场矢势零点之间的延迟，并重复以上在终态能量某一能量区间中光电子能谱强度的计算，就可以得到在不同延迟时刻的光电子能谱。图2(d)～(f）为50fs的FEL脉冲激发的光电子波包相对于太赫兹矢势零点延时分别为-60,0,60fs时，终态光电子能谱分布。对应光电子能谱的宽度（FWHM）分别为11,11.5,11.68eV，相对于未经太赫兹场调制的初始光电子能谱的宽度4.08eV有明显的展宽。这里设50fs的FEL脉冲为非全相干的辐射脉冲，比如自放大自发辐射（SASE）出光模式中其频谱包含多个毛刺，其频谱宽度远大于全相干脉冲傅里叶极限变换的能谱宽度。另外在50～100eV光电子能量区间，通用的E-TOF谱仪能量分辨率在2～3eV，考虑实验中的其他因素的影响，设初始光电子能谱的宽度为4.08eV。2.2 利用能谱展宽计算脉冲长度
图3(a)～(c）所示为脉冲宽度分别为35,20,10fs的FEL脉冲在延时零点处调制后光电子终态能谱强度分布图，光电子能谱宽度分别为8.57,5.93,4.62eV。图中红色曲线标示只由FEL激发未经太赫兹调制的初始能谱，通过比较可以发现经过调制后的光电子能谱发生了明显的展宽。当初始光电子波包处于与太赫兹调制场矢势零点附近时，太赫兹矢势的符号在其矢势零点反转，使得处于不同太赫兹相位处的光电子受到不同的调制作用。处于光电子波包前端的速度较大的光电子经过太赫兹场调制后进一步加速，最终能量变大；而处于电子波包尾部速度较小的光电子经过调制后进一步减速，最终能量变小，故矢势零点调制后的光电子能谱明显展宽。由图3(a)～(c）所示，当FEL脉冲宽度减小时，受相同太赫兹场的调制能谱展宽幅度逐渐减小（假设FEL脉冲激发光电子的初始能谱的宽度保持不变）。在计算初始光电子波包受太赫兹场调制时，FEL脉冲长度对应于光电子波包的高斯时间分布包络，长脉冲包络在相同光电子初始能量及相位调制区间，光电子强度时间分布更宽，在进行不同能带区间叠加时，初始光电子能谱上表现为总幅值更大；反之，FEL短脉冲对应的光电子时间分布较窄，在进行不同能带区间叠加时，初始光电子能谱总幅值更小。调制后的光电子强度与不同积分区间的初始光电子强度是一一对应，由此可知，不同长度FEL入射脉冲在相同光电子终态能量处对应的初始光电子强度不同，表现为不同能量区间叠加后得到的终态光电子能谱的展宽也随之不同。FEL辐射脉冲长度越长，太赫兹调制后的光电子能越宽。而未受调制作用的初始光电子能谱的宽度保持不变，与FEL脉冲长度无关，基本保持为一常数，如图3中红色高斯曲线所示。另外，在对初始光电子波包的模拟过程中，使用的是脉冲长度的均方根宽度。但在计算过程中初始光电子能谱的宽度和经过太赫兹调制场后的光电子能谱时，采用了频谱的半高全宽。所以，先根据半峰全宽光谱与脉冲均方根光谱间对应的系数关系求得对应频谱均方根宽度，再根据（7）式计算FEL脉冲的均方根脉冲宽度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于倾斜波前技术的高能强场太赫兹辐射脉冲源[J]. 吴晓君,郭丰玮,马景龙,欧阳琛,王天泽,张保龙,王暄,李尚卿,孔德胤,柴姝愫,阮存军,苗俊刚,李玉同. 中国激光. 2019(06)
[2]基于超快动力学模型的阿秒脉冲复原方法[J]. 邵任之,李宾. 光学学报. 2018(09)
本文编号：2960222
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2960222.html
