科学家证明激光直接映射阿秒电子动力学

最近，中国科学院上海光学精密机械研究所的一个研究小组观察到了飞秒激光场引起的周期性电子束条纹。这些科学家首次证明了具有前所未有的时间分辨率的阿秒电子动力学的直接计量。这项工作于2020年11月30日发表在《自然光子学》上。

电子和光子的相互作用是微观物理学的基础。由光场驱动的超快电子动力学的发现已导致超快电子衍射和显微镜，超快条纹相机和自由电子激光器方面的巨大进步。这些潜在的动力学隐藏在飞秒的时间尺度之下，因此，涉及这些应用的电荷动力学的探索和跟踪需要更大的时间分辨率才能充分发挥其潜力。然而，由于难以实现光场与电子之间的相位匹配，直接访问自由电子脉冲的光场表征仍然具有挑战性。

在这项研究中，通过条纹成像基本概念的一个新实施例，以可比较的分辨率实现了对自由电子脉冲序列的阿秒动力学的直接探测，其中条纹由亚相对论红外激光场控制(图一种)。

通过使用高对比度的激光和等离子镜，发射的电子脉冲停留在激光电场的给定相位(图b)，从而大大缓解了时序同步方面的挑战。利用反射的激光场作为条纹场，可以在远场中横向分离以不同光学周期产生的阿秒电子脉冲。

根据远场图像，随时间变化的偏转会“条纹”电子在屏幕上的位置，从而将电子脉冲的时间轮廓映射到空间分布(图c)。三组电子分别在上升沿(I)，峰值(II)的相邻区域和激光脉冲(III)的尾部喷射，在激光场中经历了不同的超快过程。

该实验观察结果证实了利用激光场引起的时空映射方法来研究具有亚秒分辨率的等离子体表面中电荷的超快速动力学的方法。达到了高达60μrad/ as的即时划线速度，比THz竞争对手的划线速度提高了几个数量级。

这种直接的空间域方法为通用的秒计量学打开了大门，并为将来的光波电子学铺平了道路。