【NEWS】用于电子束控制的“瑞士军刀”
目前世界范围内的传统加速器不仅仅是科学研究的重要工具，同时也是庞大的国家级工程项目，其耗费人力财力之大，大大限制了其在很多领域的广泛应用。此外，传统的电子的加速和整形方式是通过射频场和磁线圈等方法实现，受限于光与电子的同步（~100飞秒，1 飞秒=10-15秒）以及电场的损伤阈值（~100 MV/m），往更高的时间和空间尺度上的研究面临着极大的挑战。
近年来随着THz技术的不断发展，科学家们发现通过对THz的电场或者磁场的精确控制同样可以达到对电子束的控制。
“STEAM”是世界上第一台基于强场THz的超快电子微型控制设备，其核心特点之一是实现了光与电子的完美同步。本文将对“STEAM”的工作原理进行简单介绍。相关工作以封面形式发表在了六月份自然光子学期刊上（如图1）。
图1. “STEAM”相关工作发表
科学家们首先通过使用同一束中红外激光脉冲所分成的多束光，来产生电子束并驱动THz电子加速器和控制器（“STEAM”），这种方法能够达到光与电子的完美同步。
其中一束激光通过两次二倍频的方式产生紫外光，注入到光电阴极生成热电子，再通过高压直流电源加速到55 keV。另外两束激光用于光学整流和差频产生THz，横向入射到“STEAM”内与电子相互作用。THz的电场与电子传播方向平行，磁场垂直于电子传播方向。
通过调节两束相向传播THz的到达时间和相对相位，可以精确控制电子束进入设备后与THz相互作用的过程。同时可以根据需要消除电场、磁场分量的影响实现STEAM的功能转换。
具体来说，调节THz的电场可以对电子进行加速和压缩；利用磁场可以对电子束进行偏转，诊断和聚焦。得益于STEAM方式对THz场的精确控制，其加速和聚焦场梯度都达到了世界领先水平。
这项工作实验验证过程中使用了两台激光器。一台550 fs, 4 mJ,1 KHz, 1030 nm Yb:KYW激光器用于验证其在高频率工作状态下的稳定性。同时也使用了一台1.1 ps, 40 mJ, 10 Hz, 1020 nm Yb:YLF激光器用于高能量下的验证，并用这台激光器产生了2×30 μJ 近单周期的THz，中心频率在0.3 THz。科学家们成功的使2×6 µJ THz耦合进入STEAM设备，并用其验证了超强的加速场（70 MV/m），聚焦磁场（2 kT/m)，近十倍的电子脉冲长度压缩，以及飞秒量级的超短脉冲时间诊断能力（如图2）。
图2. “STEAM”的原理图
“STEAM”的最大特点在于其体积非常小巧，一方面是由于太赫兹辐射的波长比当今射频加速器中使用的辐射波长短百倍，器件中的所有结构都可以相应缩小；另一方面，此项研究在同一设备单元中整合多种功能应用，使得紧凑型设计成为可能。STEAM器件的最大面积只有两厘米，换句话说这是一个可装入火柴盒内的微型器件（如图3）。 虽然该技术仍处于实验阶段，但其部分功能已经可以应用到加速器和超快电子显微镜上，为超快物理，化学，生物等基础研究打开新的大门。CFEL物理学家们相信，STEAM将成为下一代太赫兹驱动粒子加速器的先锋。
图3. 硬币大小的“STEAM”
原始文献：
[1] Dongfang Zhang, Arya Fallahi, Michael Hemmer, Xiaojun Wu, Moein Fakhari, Yi Hua, Huseyin Cankaya, Anne-Laure Calendron, Luis E. Zapata, Nicholas H. Matlis, Franz X. Kärtner,Segmented terahertz electron accelerator and manipulator (STEAM).Nature Photonics 12, 336–342 (2018); doi:10.1038/s41566-018-0138-z
参考英文原文链接：
http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1371&two_columns=1
