超快电子衍射观测激光与金属物质相互作用的动力学过程

摘要

利用飞秒激光实现的泵浦探测技术具有极高的时间分辨能力,电子衍射具有极高的空间分辨能力,超快电子衍射是一种兼顾二者的同时具有高时间和高空间分辨能力的研究手段。基于对超快电子衍射的研究,本论文首先系统地阐述了一套具有亚皮秒时间分辨和亚毫埃空间分辨能力的电子衍射系统的设计和组建过程。利用该套设备我们开展了一系列超快动态实验,具体包括：铝膜在激光泵浦下的超快动力学行为的观测(声子的产生及晶格温度迅变情况)、电子格林艾森常数的非传统测量、激光等离子体形成初始阶段电荷分离场的超快演化过程(皮秒尺度)观测等。基于国内第一代超快电子衍射模型研制与使用中的经验,我们在新设备的设计时克服了许多技术上的困难：系统的稳定性是保证实验正常进行的关键,第二章详细介绍了具有优于1.0×10-9 Torr真空环境的真空系统的组成及靶室、成像系统一体化的设计；电子枪是整个设备的心脏,为了产生具有良好的电子焦斑(空间尺寸小于400 m及脉宽小于400fs的电子脉冲),我们采用了紧凑化设计及12KV/mm的直流加速电场为主要技术特征的电子枪；探测成像系统是整个设备的眼睛,为了获得单电子探测能力及良好的信噪比,我们设计了一个由磷荧光屏、双通道像增强器和CCD相机组成的成像系统。电源是整个设备的动力,我们主要采用了商品化的、高稳定性的电源组合,为实验的安全及稳定提供了保证。系统建成后为了开展下一步的实验我们对借鉴并摸索了一些实验方法,例如第三章第一节介绍了我们采用的泵浦探测法测量金属靶的动态过程,第三节讲述了时间零点的确定方法。时间分辨是系统最重要的指标,第二节着重介绍了系统时间分辨能力的决定因素及如何在实验中根据需要来控制实验的时间分辨能力等。正式投入运行后我们立刻着手进行了一系列的实验,文章第三章介绍了我们首次的实验运行,通过这套系统配合软件控制程序我们观测到了飞秒激光泵浦下多晶铝薄膜的相干声子和晶格热运动行为,实验数据表明,铝膜受激发后产生一维相干声子具有~7.2ps的振荡周期,在5.0mJ/cm2泵浦光能量下,晶格在2.6ps时间内温度上升了88K,对应的电子声子的耦合时间常数τe？ph约为840fs,与目前对金属铝电子-声子耦合过程研究的结果吻合良好,同时通过实验证明了系统的时间分辨能力达到200~300fs,空间分辨能力达到了亚毫埃(10-4 ？)的量级。借助于系统的超高时间和超高空间分辨能力在单脉冲电子数低于1000的情况下,我们测量了铝的格林艾森常数,文章第四章详细介绍了应用泵浦-探测的方法在室温下测量了铝的电子格林艾森常数为γe= 1.53±0.36(传统方法测量结果为1.6),从而使得对该常数的测量摆脱了传统低温的限制,有助于今后在室温下研究居里温度过低的材料及磁性材料中电子对热膨胀的作用。文章第六章介绍了利用4D阴影成像法观测激光照射银靶表面后激光等离子体形成初始阶段的演化过程,在约为1ps时间分辨下清晰地展示了0-200ps探测电子被排斥的过程及随后的探测电子部分会聚的有趣现象,并提出了两种场的作用机制来解释实验中探测电子呈现的该运动情况,同时在激光强度为1014W/cm2作用下,获得了约8×107个超热电子,其膨胀速度为1.2×107m/s。一系列成功的实验一方面证实了我们设计的系统具有可靠地时空性能另一方面也证实了超快电子衍射在超快晶格结构动力学和其他超快行为上具有更广泛、更深入的用途。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 空间认知能力的发展

1.3 超快电子衍射和超快x 射线衍射

1.3.1 超快x 射线衍射

1.3.2 超快电子衍射

1.3.3 超快电子衍射和x 射线衍射的比较

1.4 本章小结

参考文献

第二章 超快电子衍射系统

2.1 概述

2.2 系统组成

2.2.1 超高真空系统

2.2.2 调节伺服系统

2.2.3 电子枪

2.2.4 成像系统

2.2.5 激光系统及电源

2.3 本章小结

参考文献

第三章 实验方法及时空分辨

3.1 泵浦探测法测量样品的超快过程

3.2 系统时间分辨能力分析

3.2.1 泵浦激光脉冲宽度

3.2.2 探测电子脉冲宽度

3.2.3 失配引起的展宽

3.3 空间分辨能力

3.4 时间零点的确定

3.4.1 阴影成像法

3.4.2 探测扫描

3.5 本章小结

参考文献

第四章 相干声子的产生和晶格的热膨胀

4.1 衍射条件

4.2 不同材料的衍射图样

4.3 晶格变化与相应的衍射图样的关系

4.4 实验数据处理

4.5 铝膜中相干声子的产生和晶格的热膨胀

4.5.1 样品制作

4.5.2 实验原理

4.5.3 实验方法

4.5.4 结果分析

4.6 本章小结

参考文献

第五章 电子格林艾森常数的超快测量

5.1 背景介绍

5.2 实验介绍

5.2.1 样品的制备

5.2.2 实验方法

5.2.3 实验原理

5.3 结果分析

5.4 本章小结

参考文献

第六章 四维成像法直接观测激光-等离子体场形成阶段的超快过程

6.1 前期研究

6.2 实验设置

6.3 实验结果及分析

6.3.1 实验结果

6.3.2 实验结果解释

6.4 本章小结

参考文献

第七章 总结

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢