[论文解读] Femtosecond Transversal Deflection of Electron Beams with the Help of Laser Beams and Its Possible Applications

K.A. Ispirian, M. K. Ispiryan|ArXiv.org|Mar 28, 2003

Laser Design and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出利用高强度、共传播的激光束在飞秒时间尺度上横向偏转相对论性电子束，从而实现亚飞秒电子束示波器的构建。通过利用相对论性电子对短时、相位稳定的激光脉冲的响应，实现了最大达0.06弧度的偏转角，使电子脉冲的时间分辨测量可达到约10 fs，潜在时间分辨率优于10 fs。

ABSTRACT

It is shown that the interaction of an electron beam with polarized electromagnetic wave of laser photons propagating in the same direction in a short interaction region results in significant transversal deflection of the electrons which can be used for production of femtosecond electron and synchrotron radiation beams, for chopping the electron beams and construction of laser oscilloscopes measuring femtosecond processes.

研究动机与目标

• 开发一种利用电子束横向偏转测量飞秒尺度过程的方法。
• 克服现有基于射频腔和相干辐射的方法的局限性，这些方法的时间分辨率仅约10 fs，且成本高昂。
• 实现在无需插入器件的条件下，产生超短电子脉冲和同步辐射脉冲。
• 通过激光场横向偏转构建基于激光的电子束斩波器和飞秒示波器。
• 实现显著优于现有方法的时间分辨率，接近阿秒至亚飞秒量级。

提出的方法

• 将相对论性因子 γ ≫ 1 的电子通过一个短相互作用区（L_int），在此区域施加波长 λ = 10 μm、强度 W ≈ 10⁹ W/cm² 的共传播、线性偏振激光束。
• 相互作用时间较短（t_int ≈ L_int / 2c），若 L_int ≪ λγ²，则电子在相互作用期间经历近似恒定的电场 E ≈ E₀。
• 最大偏转角推导为 α_max ≃ πγξ，其中 ξ = eE / (m c ω)，该公式使高γ电子可实现大角度偏转。
• 在距离 L_sc ≈ 50 cm 处放置屏幕，记录电子束的横向振荡，最大位移 R_max = L_sc × α。
• 使用圆偏振激光场或具有相位控制的两组正交激光系统，可使电子束在圆周上扫动，周期 T ≈ λ/c ≈ 33 fs。
• 屏幕上被照亮的弧长对应于电子脉冲的持续时间，从而实现约10 fs的时间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用强激光场在飞秒时间尺度上实现对相对论性电子束的横向偏转？
• RQ2 此类偏转能否用于构建时间分辨率优于亚10 fs的飞秒示波器？
• RQ3 该偏转机制是否适用于高γ和低发散角的电子束？
• RQ4 该方法能否实现优于现有射频腔或相干辐射技术的时间分辨率？
• RQ5 电子束速度展宽和探测中的二次发射对系统性能有何限制？

主要发现

• 对于波长 λ = 10 μm 的CO₂激光，强度 W ≈ 10⁹ W/cm²，电场 E ≈ 6.3 × 10⁴ V/cm，相对论性电子束（γ = 100，ε = 50 MeV）可实现约0.06弧度的偏转角。
• 当 L_int ≈ 5 cm 且 L_sc ≈ 50 cm 时，电子束在屏幕上最大位移可达 R_max ≈ 30 cm。
• 使用圆偏振激光场，电子束在周长 L ≈ 18.85 cm 的圆周上扫动，周期 T ≈ 33 fs。
• 屏幕上被照亮的弧长可直接测量电子脉冲的持续时间，实现约10 fs的时间分辨率。
• 预期时间分辨率略小于10 fs，比现有方法提高一到两个数量级。
• 该方法无需插入器件，可用于产生飞秒量级的电子脉冲和同步辐射脉冲。