【摘 要】
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近年来,超快电子衍射（ultrafast electron diffraction,UED）成为了实验上观测物质结构和超快动力学过程的有效手段,被广泛应用于固体物理、材料化学和生命科学等领域。兆电子伏特超快电子衍射（Me V UED）装置的出现,将衍射成像系统的时间分辨率提升到了百飞秒(10-13s)水平,但是也对超短脉冲激光系统和光阴极电子源提出了挑战。电子束团的束长、横向发射度等参数,与阴极驱
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近年来,超快电子衍射（ultrafast electron diffraction,UED）成为了实验上观测物质结构和超快动力学过程的有效手段,被广泛应用于固体物理、材料化学和生命科学等领域。兆电子伏特超快电子衍射（Me V UED）装置的出现,将衍射成像系统的时间分辨率提升到了百飞秒(10-13s)水平,但是也对超短脉冲激光系统和光阴极电子源提出了挑战。电子束团的束长、横向发射度等参数,与阴极驱动激光的脉宽和横向分布等直接相关,通过对驱动激光的调制来提升束团品质参数,对提升UED装置的时间和空间分辨率至关重要。本文围绕华中科技大学Me V UED装置（HUST-UED）的飞秒激光系统和光阴极电子源展开,基于产生低发射度、短束长高品质束团的需求,针对超短脉冲激光光路系统的实现,开展了35 fs激光系统的详细参数设计和实验研究,并对光阴极电子源进行了理论和仿真研究。针对266 nm倍频光的产生需求和驱动激光与样品泵浦激光的不同能量需求,介绍了35 fs激光系统的总体布局,完成了分光光路的能量控制、倍频光的产生以及高斯光束的传输等。对光路的设计和搭建过程进行了详细的介绍,并给出了搭建完成后的激光功率稳定性、光斑横向偏移测量以及倍频光的光谱分析结果等。最终实验上优化得到的三倍频效率约为15%,输出倍频光的功率稳定性约为0.59%,光斑的横向稳定性为0.36%。此外,针对气体样品的泵浦观测实验,提出了一种基于双色同向圆偏振倍频光的线性气体分子无场取向方法,给出了理论计算过程与现有其他方法的对比结果。光阴极电子源产生的束团品质与阴极驱动激光密切相关。高功率的激光脉冲能产生电荷量更大的束团。利用粒子追踪软件ASTRA,证明了束团电荷量需求较大的情况下,HUST-UED中使用的1.4 cell光阴极微波电子枪能提供横纵向发射度更小,束团长度更短的高品质束团。此外,本文研究了光阴极电子源中的光电发射过程,以及基于驱动激光调制的束团初始分布优化方法,得到了阴极量子效率的表达式及其修正形式,通过ASTRA完成了具有不同初始分布的束团动力学过程仿真。对比结果表明,调制后的初始束团分布相较于原始的高斯分布,其横向发射度和能散减小了近两倍。
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