基于太赫兹场调制测量超快X射线脉冲长度

作     者：李成名 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：李宾

授予年度：2019年

学科分类：070207[理学-光学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：飞秒激光技术 太赫兹 X射线脉冲长度 光电子能谱 双脉冲复原 

摘      要：X射线自由电子激光(XFEL)是新一代的高亮度光源。目前,美国、德国、瑞士、意大利、日本、韩国、中国等各国家都纷纷兴建自由电子激光大科学装置。自由电子激光是一种基于直线加速器产生相对论电子通过波荡器获得相干辐射的新一代光源,其辐射波长连续可调,其中极紫外(XUV)至X射线波段的高功率飞秒脉冲具有广阔的应用价值。X射线自由电子激光的超短辐射脉冲特性使其成为时间分辨实验的理想光源;此外,聚焦后高达10 W/cm的峰值功率密度可以用来研究物质材料中X射线波段的非线性过程。因此,精准测量XUV至X波段超快辐射脉冲宽度具有重要意义。目前,自由电子激光(FEL)辐射脉冲或是超快X射线脉冲的测量方法主要有以下几种:传统条纹相机法、自相关法、频率分辨光学开关法等。条纹相机法时间分辨率不高,即使目前世界上最先进的商用条纹相机也只能实现几百飞秒的时间分辨,无法准确测量脉冲宽度仅为数飞秒至数十飞秒的FEL辐射脉冲的时间宽度。自相关法只能对FEL脉冲的宽度进行估算,FROG方法主要用于对飞秒激光以及高次谐波HHG阿秒脉冲的时间和相位复原,其算法复杂需要大量的计算资源。自相关法包括脉冲强度自相关以及场强自相关,主要针对FEL脉冲的宽度进行测量。为测量FEL脉冲长度,本文系统研究了超快FEL脉冲激发惰性气体产生的光电子波包在附加太赫兹电场中的动力学模型,分析了THz调制强度随光电子初始能量和延时变化。由此,计算了光电子波包处于太赫兹场矢势零点不同延时处的调制能谱,通过比较在矢势零点的终态调制光电子能谱相较于其初始能谱的展宽计算出超快FEL脉冲的时间宽度。并进一步分析比较不同FEL脉冲长度在THz调制场不同延时相位的能谱展宽,评估了该方法测量FEL辐射脉冲长度的误差,并确定在实验中所允许存在的时间抖动范围,从而保证测量的精确度。根据不同延时处光电子能谱中心能量的偏移,我们模拟了任意FEL双脉冲在不同延时条件下终态光电子能量分布,据此可以测量FEL双脉冲的时间间隔。这对于采用FEL双脉冲开展时间分辨动态实验,具有重要应用价值。