物理學：朝著更快，更便宜的超快現象成像！

在（a）中示意性地示出了用于諸如超快電子成像的應用的全光學3-D電子脈沖壓縮方法，其具有（b）中所示的成本有效的實施方式。圖片來源：梁傑黃/新加坡制造技術研究所和麻省理工學院。

許多自然界的奧秘被鎖定在非常小和非常快的世界中。例如，化學反應和材料相變發生在原子尺度上 – 大約是十億分之一米的十分之一 – 和阿秒 – 這是第二長的一個數量級（10 ^ -18）。來自馬薩諸塞州麻省理工學院（MIT）的一個研究小組與新加坡新加坡制造技術研究所（SIMTech）合作，提出了一種新技術，可以幫助記錄這種超快現象的更好圖像。該團隊將于2015年10月18日至22日在美國加利福尼亞州聖何塞舉行的光學學會年會和會議上展示他們的工作。

超快電子脈沖是科學家用來探測原子世界的一種工具。當脈沖擊中材料中的原子時，電子像波一樣散射。通過建立探測器並分析波幹涉圖，科學家們可以確定原子間距離等信息。傳統的電子脈沖技術使用靜磁場橫向壓縮電子。然而，靜電場可能幹擾電子源和樣品並導致電子脈沖的時間失真 – 這兩者都可能導致較低質量的圖像。

爲了避免與靜態場壓縮相關的問題，MIT和SIMTech團隊提出了第一種用于壓縮三維電子脈沖的全光學方案，並通過第一原理數值模擬證明了該方案的可行性。在該方案中，激光脈沖在時間和空間上起到三維透鏡的作用，可以將電子脈沖壓縮到阿秒持續時間和亞微米尺寸，從而提供了一種産生超短電子脈沖的新方法，用于阿秒現象的超快成像。

“使用這種方案，人們可以通過實驗可實現的激光脈沖在任何尺寸或尺寸上壓縮電子脈沖兩到三個數量級。例如，這可以將電子脈沖的持續時間從數百飛秒減少到亞飛秒級稱，“團隊首席研究員梁傑表示，他現在是新加坡制造技術研究所，曾任麻省理工學院博士後研究員。

“值得注意的是，該方案不涉及靜態場，並且每個維度都能獨立控制壓縮，”Wong指出。

在時間和空間壓縮電子脈沖！

短脈沖持續時間對于超快電子成像技術中的高時間分辨率是至關重要的。這些技術可以制作電影，使科學家能夠實時觀察分子如何在化學反應中相互作用，或者如何通過引入外部刺激來影響材料或微生物的結構。

爲了確保電子脈沖到達具有所需特性的樣品或檢測器，盡管存在電子間排斥，超快電子成像裝置通常需要在橫向和縱向上壓縮電子脈沖的裝置。傳統方法通常采用靜電場元件，例如螺線管，其是産生均勻磁場的線圈，以聚焦電子束。靜電場元件的使用可導致在電子源（陰極）和樣品上不希望存在靜磁場，並且還可能在傳輸超短電子脈沖時引起時間失真。

爲了解決這些問題，Wong的團隊設想了一種全光學方案，通過使用一種特殊類型的激光模式來聚焦三維電子脈沖，其橫向剖面強度爲“谷”（或最小），技術上稱爲“厄米 – 高斯光學模式。“ 脈沖激光模式以傾斜角度連續撞擊移動的電子，形成電子的三維陷阱。

“例如，爲了沿著其行進方向壓縮電子脈沖，激光 – 電子相互作用加速後電子並使前電子減速。隨著電子傳播，後電子趕上前電子，導致時間壓縮電子脈沖，“Wong解釋說。光場施加在電子上的力稱爲光學有質動力，時間平均力將時變場中的帶電粒子推向較低強度的區域。

“就像傳統鏡頭可以用來聚焦光束一樣，我們的配置可以用來聚焦電子束。但是，在我們的例子中，我們不僅可以在垂直于行進方向的尺寸上進行聚焦，而且因此，整個設置可以看作是電子的時空透鏡，“Wong說。

通過用麥克斯韋方程的精確解決方案對場進行建模並求解牛頓 – 洛倫茲方程，它們共同描述了經典的光學和電磁行爲，Wong和他的合作者在分析和數值上證明了他們的方案的可行性。他們的發現之一是縱向壓縮對激光脈沖入射角敏感，這是電子脈沖速度的函數以獲得最佳性能。

所提出的方案中的主要節省成本的特征是可以使用單個光脈沖來實現一系列壓縮級。由于該方案允許再循環激光脈沖以進一步壓縮相同的電子脈沖（不限于相同的尺寸），因此能夠最大化單個激光脈沖的使用並且利用該單個脈沖實現3D壓縮。

除了對用于壓縮單電子脈沖和多電子脈沖的超快電子成像非常感興趣之外，所提出的方案可能用于聚焦其他粒子，例如加速質子和中性原子。更廣泛的應用包括平板電子束的産生和超短電子束的産生，用于基于自由電子的太赫茲發生方案中的相幹太赫茲發射，其反過來具有從生物醫學成像到機場安全的廣泛應用。

研究團隊的下一步是提出該方案的概念驗證實驗實現。