上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院向?qū)Ы淌诤蛷埥茉菏款I(lǐng)導(dǎo)的課題組近期與同行合作，利用太赫茲脈沖與相對(duì)論電子束在介質(zhì)波導(dǎo)中的相互作用操控電子束能量分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相對(duì)論電子束脈寬與時(shí)間抖動(dòng)的同步壓縮。該工作作為“編輯推薦”（Editors' Suggestion）文章發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》 【L. Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 124, 054802 (2020)】；作為本期的亮點(diǎn)文章之一（Featured in Physics），Physics以‘Making Electron Pulses Shorter and Steadier（讓電子束更短更穩(wěn)定）’為題目對(duì)該工作進(jìn)行了特別介紹。

超短電子束在超快電子衍射、自由電子激光、逆康普頓散射X光源、激光或太赫茲驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)加速等研究中有著廣泛的應(yīng)用，因此如何產(chǎn)生超短電子束脈沖并實(shí)現(xiàn)與激光脈沖高度同步是目前加速器物理和超快科學(xué)的重要挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)上使用微波場(chǎng)對(duì)電子束脈沖進(jìn)行壓縮會(huì)由于微波的相位噪聲導(dǎo)致壓縮后的電子束存在較大時(shí)間抖動(dòng)，針對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，本工作將“啁啾”的概念應(yīng)用于電子束脈寬的壓縮并利用太赫茲波段的介質(zhì)波導(dǎo)代替微波諧振腔，實(shí)現(xiàn)了利用太赫茲場(chǎng)操控電子束能量分布，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子束脈寬的壓縮。

利用太赫茲脈沖壓縮電子束脈寬的原理如圖1中所示，首先利用太赫茲與電子束的相互作用操控電子束能量分布并產(chǎn)生負(fù)能量啁啾（電子束頭部能量低于尾部），進(jìn)一步經(jīng)過(guò)一段漂移節(jié)后，尾部的電子由于速度更快，會(huì)追上頭部的電子實(shí)現(xiàn)脈寬壓縮。該方法與激光領(lǐng)域的啁啾脈沖放大/壓縮技術(shù)（獲2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）非常類似：電子束能量啁啾對(duì)應(yīng)于激光的頻率啁啾，電子束壓縮的直線節(jié)對(duì)應(yīng)于啁啾激光脈沖壓縮中的光柵。

圖1. 電子束脈寬壓縮（上）及啁啾激光脈沖壓縮（下）示意圖

與微波驅(qū)動(dòng)的電子束脈寬壓縮相比，太赫茲驅(qū)動(dòng)的壓縮技術(shù)具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，電子束的能量啁啾正比于用于操控電子束能量的電磁場(chǎng)頻率；太赫茲由于頻率比微波高100-1000倍，因此產(chǎn)生同樣的能量啁啾所需要的場(chǎng)強(qiáng)大幅降低，可將微波驅(qū)動(dòng)壓縮技術(shù)所需的高壓調(diào)制器和速調(diào)管等系統(tǒng)大幅縮小，這將大幅降低脈寬壓縮的造價(jià)。其次，由于用于壓縮電子束的太赫茲由激光在晶體中產(chǎn)生，因此其與激光嚴(yán)格同步，有效規(guī)避了微波的相位抖動(dòng)問(wèn)題；相應(yīng)的壓縮后的電子束在脈寬壓縮的同時(shí)其時(shí)間抖動(dòng)也會(huì)得到同比例降低。圖2中為太赫茲驅(qū)動(dòng)電子束壓縮前和壓縮后的結(jié)果對(duì)比，可以看到約4倍的壓縮效果，這展示了將此電子束壓縮技術(shù)用于超快電子衍射研究原子尺度超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程時(shí)可獲得更高時(shí)間分辨率的可能性，而將此電子束壓縮技術(shù)用于太赫茲驅(qū)動(dòng)的電子加速時(shí)則可能獲得更高的能量穩(wěn)定性和更低的能散。

圖2. 太赫茲驅(qū)動(dòng)脈寬壓縮前（左）和壓縮后（右）電子束的時(shí)域分布

本工作主要由上海市科委重大項(xiàng)目（No. 18JC1410700）、基金委國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目（No. 11327902）、基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目（No. 11721091）、基金委杰青項(xiàng)目（No. 11925505）和科技部青年973項(xiàng)目（No. 2015CB859700）資助，論文第一作者為博士后趙凌榮。