物理学：朝着更快，更便宜的超快现象成像！

在（a）中示意性地示出了用于诸如超快电子成像的应用的全光学3-D电子脉冲压缩方法，其具有（b）中所示的成本有效的实施方式。图片来源：梁杰黄/新加坡制造技术研究所和麻省理工学院。

许多自然界的奥秘被锁定在非常小和非常快的世界中。例如，化学反应和材料相变发生在原子尺度上 – 大约是十亿分之一米的十分之一 – 和阿秒 – 这是第二长的一个数量级（10 ^ -18）。来自马萨诸塞州麻省理工学院（MIT）的一个研究小组与新加坡新加坡制造技术研究所（SIMTech）合作，提出了一种新技术，可以帮助记录这种超快现象的更好图像。该团队将于2015年10月18日至22日在美国加利福尼亚州圣何塞举行的光学学会年会和会议上展示他们的工作。

超快电子脉冲是科学家用来探测原子世界的一种工具。当脉冲击中材料中的原子时，电子像波一样散射。通过建立探测器并分析波干涉图，科学家们可以确定原子间距离等信息。传统的电子脉冲技术使用静磁场横向压缩电子。然而，静电场可能干扰电子源和样品并导致电子脉冲的时间失真 – 这两者都可能导致较低质量的图像。

为了避免与静态场压缩相关的问题，MIT和SIMTech团队提出了第一种用于压缩三维电子脉冲的全光学方案，并通过第一原理数值模拟证明了该方案的可行性。在该方案中，激光脉冲在时间和空间上起到三维透镜的作用，可以将电子脉冲压缩到阿秒持续时间和亚微米尺寸，从而提供了一种产生超短电子脉冲的新方法，用于阿秒现象的超快成像。

“使用这种方案，人们可以通过实验可实现的激光脉冲在任何尺寸或尺寸上压缩电子脉冲两到三个数量级。例如，这可以将电子脉冲的持续时间从数百飞秒减少到亚飞秒级称，“团队首席研究员梁杰表示，他现在是新加坡制造技术研究所，曾任麻省理工学院博士后研究员。

“值得注意的是，该方案不涉及静态场，并且每个维度都能独立控制压缩，”Wong指出。

在时间和空间压缩电子脉冲！

短脉冲持续时间对于超快电子成像技术中的高时间分辨率是至关重要的。这些技术可以制作电影，使科学家能够实时观察分子如何在化学反应中相互作用，或者如何通过引入外部刺激来影响材料或微生物的结构。

为了确保电子脉冲到达具有所需特性的样品或检测器，尽管存在电子间排斥，超快电子成像装置通常需要在横向和纵向上压缩电子脉冲的装置。传统方法通常采用静电场元件，例如螺线管，其是产生均匀磁场的线圈，以聚焦电子束。静电场元件的使用可导致在电子源（阴极）和样品上不希望存在静磁场，并且还可能在传输超短电子脉冲时引起时间失真。

为了解决这些问题，Wong的团队设想了一种全光学方案，通过使用一种特殊类型的激光模式来聚焦三维电子脉冲，其横向剖面强度为“谷”（或最小），技术上称为“厄米 – 高斯光学模式。“ 脉冲激光模式以倾斜角度连续撞击移动的电子，形成电子的三维陷阱。

“例如，为了沿着其行进方向压缩电子脉冲，激光 – 电子相互作用加速后电子并使前电子减速。随着电子传播，后电子赶上前电子，导致时间压缩电子脉冲，“Wong解释说。光场施加在电子上的力称为光学有质动力，时间平均力将时变场中的带电粒子推向较低强度的区域。

“就像传统镜头可以用来聚焦光束一样，我们的配置可以用来聚焦电子束。但是，在我们的例子中，我们不仅可以在垂直于行进方向的尺寸上进行聚焦，而且因此，整个设置可以看作是电子的时空透镜，“Wong说。

通过用麦克斯韦方程的精确解决方案对场进行建模并求解牛顿 – 洛伦兹方程，它们共同描述了经典的光学和电磁行为，Wong和他的合作者在分析和数值上证明了他们的方案的可行性。他们的发现之一是纵向压缩对激光脉冲入射角敏感，这是电子脉冲速度的函数以获得最佳性能。

所提出的方案中的主要节省成本的特征是可以使用单个光脉冲来实现一系列压缩级。由于该方案允许再循环激光脉冲以进一步压缩相同的电子脉冲（不限于相同的尺寸），因此能够最大化单个激光脉冲的使用并且利用该单个脉冲实现3D压缩。

除了对用于压缩单电子脉冲和多电子脉冲的超快电子成像非常感兴趣之外，所提出的方案可能用于聚焦其他粒子，例如加速质子和中性原子。更广泛的应用包括平板电子束的产生和超短电子束的产生，用于基于自由电子的太赫兹发生方案中的相干太赫兹发射，其反过来具有从生物医学成像到机场安全的广泛应用。

研究团队的下一步是提出该方案的概念验证实验实现。