基于宽带脊波导结构的太赫兹驱动的场发射飞秒电子枪装置

本发明属于先进超快电子源领域，具体涉及一种采用宽带脊波导结构结合场增强针尖实现太赫兹驱动的场发射飞秒电子枪的方法及装置。

背景技术：

1、为了满足高分辨率超快电子显微镜、下一代x射线自由电子激光器以及高能物理等前沿领域对于高亮度超短电子源的迫切需求，一直以来人们都致力于开发具有更高亮度、更高加速梯度、更高光束质量、更紧凑、更经济的新型电子源。目前，基于量子隧穿发射机制的场发射电子枪利用场增强尖端阴极可产生高达gv/m的场强，具有极高的亮度和相干性。然而，传统的场发射电子枪主要采用外加高压的方式驱动，装置结构复杂且产生的电子束脉冲较长，不具有时间分辨能力。虽然基于门控技术可以获得单脉冲约10ps的电子束，但是仍然无法满足现代科学界对于飞秒时间尺度超快动力学研究的需求。

2、为此，人们采用高频光场代替静电场来激发材料表面的场致隧穿，该方案不仅可以进一步提高材料的损伤阈值，能够支持更高的加速梯度，还可以实现亚太赫兹周期量级的场发射，获得低至阿秒量级的超短电子束，具有极大的应用前景。实验研究表明，基于太赫兹脉冲驱动的纳米金属针尖表面的场发射，可以获得gv/m的加速梯度，最高能够产生峰值能量约3.5kev的电子束，其单脉冲电子高达106个。然而，上述研究均集中在自由空间中太赫兹与电子的相互作用，缺乏对于其加速过程的精确控制，从而限制了其电子能量和质量，无法实际应用于超快科学研究。

技术实现思路

1、本发明面向当前先进电子源需求，旨在解决上述现有技术中存在的不足之处，提出了一种采用宽带脊波导结构结合场增强针尖实现太赫兹驱动的场发射飞秒电子枪构型，形成了基于单周期太赫兹驱动的场发射电子加速和产生高亮度，高能量的超短电子脉冲的实用化技术，并进一步验证了其在电子衍射、成像上的实际应用。此外，本发明具有结构简单，体积紧凑，建造成本低的优点，可以产生具有高亮度的高能超快电子束，在超快电子衍射、成像及高亮度x射线源等方面有着巨大的应用潜力。

2、本发明的原理如下：

3、当光阴极的表面电场高于材料的场发射阈值时，光阴极的表面势垒将被大幅弯曲，使得电子可以自发地发生场致隧穿。因此，相较于基于光电效应的电子发射，基于场发射的电子发射机制可以实现自发的电子发射，避免了使用紫外光激发电子，使系统更为简单。同时，在电子发射的同时可以使用同一束激光实现电子的加速，且可以支持高达数十gv/m的峰值加速梯度。这一优势大幅抑制了电子发射初期空间电荷效应的影响，有望获得具有极高亮度和极高能量的高品质电子束。同时为抑制单周期太赫兹脉冲在波导内传输的色散，本发明提出了基于宽带脊波导结构的太赫兹驱动的场发射飞秒电子枪构型，其具有长截止波长,低等效特性阻抗和大单模带宽等优点,可以在太赫兹波段实现近乎无色散的传输，从而保持其单周期特性，实现亚太赫兹周期的场发射电子。此外，所述宽带脊波导结构可以将大部分太赫兹能量局域在脊凸起结构附近，大幅抑制由于拼装缝隙而导致的场泄露问题，进一步提高加速梯度，同时通过调控相互作用距离可以实现对于加速过程的精密控制，大幅提高加速效率和光束质量。

4、本发明为了达到上述发明目的，采用了如下技术方案：

5、一种基于宽带脊波导结构的太赫兹驱动的场发射飞秒电子枪装置，其特点在于，包括：激光光源、单周期太赫兹脉冲发生装置、真空腔室、荧光屏、宽带脊波导电子枪、相机、分束镜以及反射镜。

6、所述激光光源出射的激光脉冲被分束镜分为两路并分别入射到两个单周期太赫兹脉冲发生装置中，用于产生单周期太赫兹脉冲；

7、所述两个单周期太赫兹脉冲发生装置产生的两束单周期太赫兹脉冲经过反射镜反向入射到置于真空腔室的宽带脊波导电子枪中。

8、所述宽带脊波导电子枪包括宽带脊波导加速腔、宽带脊天线以及场增强针尖；所述宽带脊波导加速腔由对称的单脊平行波导组成，所述宽带脊天线由对称的单脊天线组成；所述宽带脊天线的出射端与所述宽带脊波导加速腔的入射端重合，用于将单周期太赫兹脉冲近乎无色散地耦合到亚波长量级的宽带脊波导加速腔中，从而在时间和空间上同时实现入射光场的局域化，确保入射太赫兹脉冲的单周期特性；所述场增强针尖由钨制成，其尖端位于所述宽带脊波导加速腔内部，能在时空局域后的入射太赫兹脉冲的激发下产生亚太赫兹周期量级的单脉冲场致发射电子；

9、所述真空腔室的后端安装有荧光屏，真空腔室的外部正对荧光屏的位置安装有相机。

10、进一步，所述的单脊平行波导由矩形波导和高度固定的脊凸起结构组成，决定了场发射电子与加速场作用的最大距离，其具有低主模截止频率、宽频带和低阻抗的特点，可以将大部分太赫兹能量局域在脊凸起结构附近，抑制由于拼装缝隙而导致的场泄露问题；此外，其宽带特性可以确保所述场增强针尖表面的电场维持单周期特性，避免由于波导色散引起的脉冲展宽问题，从而产生亚太赫兹周期量级的单脉冲电子。

11、进一步，所述的单脊天线由传统喇叭天线和高度渐变的脊凸起结构组成，具有低主模截止频率、宽频带和低阻抗的特点，可以大幅减小入射单周期太赫兹脉冲由于耦合角度和阻抗不匹配导致的群速度色散，从而保持其单周期特性。

12、进一步，所述场增强针尖的针尖直径在数微米量级，能在针尖表面产生显著的场增强，提供高达数十gv/m的超高加速场梯度，实现太赫兹驱动的场致电子隧穿发射。

13、进一步，所述单周期太赫兹脉冲发生装置包括沿着所述单周期太赫兹脉冲出射方向依次设置的光栅、透镜和铌酸锂晶体(linbo3)，通过光学非线性差频的方式在铌酸锂晶体中产生宽带单周期太赫兹脉冲。

14、进一步，所述两个单周期太赫兹脉冲发生装置产生的两束单周期太赫兹脉冲同时作为所述宽带脊波导电子枪的电子产生源及加速源，并分别通过对称的宽带脊天线从两侧反向耦合到所述宽带脊波导加速腔中，且其电场方向均与加速腔内所述场增强针尖的指向平行，两个单周期太赫兹脉冲之间的相对延迟设定为电场在所述场增强针尖的尖端处叠加增强，磁场在所述场增强针尖的尖端处反向相消，从而在所述场增强针尖的尖端处建立高达数十gv/m的电场，大幅弯曲针尖尖端的表面势垒，提高材料中电子的量子隧穿效率，实现自发的场致电子发射与加速。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

16、(1)采用场增强针尖结合脊波导结构的设计，不仅能在太赫兹波段产生显著的场增强效果，支持高达数十gv/m的峰值加速梯度，还可以对场发射电子在加速场中的加速过程进行精密控制，进一步提高加速能量和电子束质量；

17、(2)采用脊波导结构的设计可以同时实现入射太赫兹脉冲的时间和空间上光场的局域化，保持入射太赫兹脉冲的单周期特性，在对电子进行精密调控的同时能够实现亚太赫兹周期的场致电子发射；

18、(3)采用脊波导结构的设计还可以使得大部分太赫兹能量集中在中心脊凸起结构附近，大幅抑制由于拼装缝隙而导致的场泄露问题，能够实现更高的加速梯度，减小对于加工精度的要求；

19、(4)电子束具有高亮度、高能量、高时空分辨率等优点，在电子成像、衍射、超快动力学研究及未来紧凑型台面电子源等方面有着巨大的应用潜力；

20、(5)结构简单，体积紧凑，建造成本低，可以被广泛地普及使用。