[发明专利]四维电子阴影成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及电子阴影成像，特别是一种时间分辨的四维电子阴影成像装置，可以提供超高的时间分辨率用于研究瞬态等离子体或光伏效应等具有电磁场瞬变的时空演化过程。具有单发成像、时间分辨率高、对电磁场信息敏感、信噪比高等优势。

技术背景

飞秒激光技术的发展使得人们可以在更短的时间尺度里研究超快过程，通常采用的方法是光学泵浦探测技术。一束光脉冲用于激发某个过程，另一束同源的激光脉冲则经过一定的时间延迟后，作为探针对泵浦光激发的过程进行探测并被相应的设备记录下某一类或多类信息。这种全光学的方法可以提供很高的时间分辨率，但是，由于光子不带电，因此对样品的电磁场特性无明显响应，此外，激光在金属或等离子体等样品中的穿透深度通常较浅，所以，该方法在探测等离子体超快过程中有很大的局限性，传统上只能通过光干涉的手段获得有限的信息。近年来光泵浦-电子束探测技术的发展则提供一种非常有效的实验手段。如文献1：Centurion M, Reckenthaeler P, Trushin S A, Krausz F and Fill E E, Nature Photonics, 2, 315，（2008）；文献2：Hebeisen C T, Sciaini G, Harb M, Ernstorfer R, Kruglik S G and Miller R J D, Physical Review B, 78, 081403，（2008）；文献3：Li J, Wang X, Chen Z, Clinite R, Mao S S, Zhu P, et al., Journal of Applied Physics, 107, 083305，（2010）.

为了能够清晰地研究样品受激光激发后形成等离子体的演化过程，实现单发探测就变得尤为重要，因为多发电子脉冲的累计成像很大程度上会覆盖较多细节信息。然而，单发实验中每个探测脉冲的电子数目相对较少，因而信噪比不易保证。如果为了提高信噪比而增加每个探测脉冲中电子的数目会导致系统的时间分辨率降低，这是由于电子间库伦排斥效应的增加会引起电子脉冲的展宽。因此，这一技术依然面临诸多挑战。

发明内容

本发明目的是为了能够清晰地研究样品受激光激发后形成等离子体的演化过程，提供一种四维电子阴影成像装置，该装置是简便、高效的实验系统，可实现高达皮秒量级的时间分辨率，特别是具有单发成像模式，在拥有良好信噪比的同时可以保证高时间分辨率，可通过阴影成像的方法用于研究较大范围内的等离子体在数百皮秒量级到纳秒量级内的演化过程。

本发明的技术解决方案如下：

一种四维电子阴影成像装置，其特点在于该装置包括：飞秒激光光源、快门、分束镜、激光三倍频装置、平移台、由半波片、和偏振分光棱镜构成的泵浦光能量调节装置、第一激光伺服反射镜、第二激光伺服反射镜、第三激光伺服反射镜、第四激光伺服反射镜、第五激光伺服反射镜、第六激光伺服反射镜、泵浦光聚焦透镜、紫外聚焦透镜、飞秒电子枪及电子姿态控制系统、五轴样品调节架、电子倍增系统、成像系统、超高真空腔体和真空泵系统，上述元部件的位置关系如下：

所述的超高真空腔体的一端由所述的法兰封装，另一端与所述的电子倍增系统封装，所述的飞秒电子枪及电子姿态控制系统包括飞秒电子枪阴极、飞秒电子枪阳极、第一偏转板、第二偏转板，在所述的超高真空腔体内，所述的飞秒电子枪阴极和飞秒电子枪阳极通过硬连接的方式固定在法兰上，在超高真空腔体中设有五轴样品调整架，该超高真空腔体还设有多个窗口，其中之一连接所述的真空泵系统，另一窗口是泵浦光入射窗口； 

沿所述的飞秒激光光源的激光前进方向是所述的快门和分束镜，该分束镜将所述的飞秒激光光源输出的飞秒激光分为反射光束和透射光束：

沿所述的反射光束前进方向依次是第二激光伺服反射镜、激光三倍频装置、紫外聚焦透镜和与所述的超高真空腔体相连的法兰，自所述的法兰至所述的电子倍增系统的轴线上依次是所述的飞秒电子枪阴极、飞秒电子枪阳极、第一偏转板、第二偏转板和五轴样品调节架、电子倍增系统和成像系统，所述的成像系统置于超高真空腔体外，所述的法兰设有白宝石窗口，所述的阳极有一个小孔，并被覆盖上金属栅网，以保证加速电场的均匀性和电子脉冲的可穿透性，在该阳极后方有一个70微米的小孔用于限制电子脉冲束流的横截面大小，第一偏转板、第二偏转板分别在水平和垂直方向上对电子脉冲的行进方向进行二维调节；