光阴极微波电子枪中激光脉冲的时间抖动测量
Jitter及其测试技术介绍
Jitter及其测试技术介绍本文主要介绍时间抖动（jitter）的概念及其分析方法。
在数字通信系统，特别是同步系统中，随着系统时钟频率的不断提高，时间抖动成为影响通信质量的关键因素。
一、时间抖动的概念在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号（以1MHz为例）的持续时间应该恰好是1us，每500ns有一个跳变沿。
但是这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是抖动。
抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。
在绝大多数文献和规范中，时间抖动（jitter）被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差，所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走（wander），而将变化较快的成分定义为时间抖动（jitter）。
1.1．时间抖动的分类抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动。
确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的，这种抖动通常幅度有限，具备特定的（而非随机的）产生原因，而且不能进行统计分析。
随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。
例如，能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素，就可能造成载子流的随机变化。
另外，半导体加工工艺的变化，例如掺杂密度不均，也可能造成抖动。
1.2．时间抖动的描述方法可以通过许多基本测量指标确定抖动的特点，基本的抖动参数包括：1)周期抖动（period jitter）测量实时波形中每个时钟和数据的周期的宽度。
这是最早最直接的一种测量抖动的方式。
这一指标说明了时钟信号每个周期的变化。
2)周期间抖动（cycle-cycle jitter）测量任意两个相邻时钟或数据的周期宽度的变动有多大，通过对周期抖动应用一阶差分运算，可以得到周期间抖动。
这个指标在分析琐相环性质的时候具有明显的意义。
3)时间间隔误差（timer interval error，TIE）测量时钟或数据的每个活动边沿与其理想位置有多大偏差，它使用参考时钟或时钟恢复提供理想的边沿。
《激光检测技术》PPT课件
（四）自旋量子数ms 有两个值(+1/2，-1/2)，可用向上和向下的箭头(“↑”“↓”)来 表示电子的两种所谓自旋状态。
结论：描述一个电子的运动状态，要用四个量子数（ n， l，m ， ms ），同一 原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。 能量最低原理 ：整个体系的能量越低越好。一般来说，新填入的电子都 是填在能量最低的空轨道上的。
1.光的自发发射
§1—2 激光的产生
激发态寿命：
从t 到
t=0 时
t+dt ：
N 20
t
时刻
N2
E2 N2
自发发射的粒子数： E2上粒子的减少数：
dN21 A21 N2 dt
dN2 dN21
dt
dN2 dN21
E1
dN2 A21 N2dt
N2 N20e A21t
能级 E2 的平均寿命 在0
gmax (v)
1 g max (v) 2
I ( )d I
g ( )
为归一化线型函数。
1 0 2
中心频率
5
g ( )d 1
(一)激光的单色性 频率宽度或原子谱线的宽度：
§1-1 激光的基本特性
g (v )
2 1
由
波长宽度
gmax (v)
激光光电检测技术
•激光基本原理 •激光器件 •激光干涉测量 •激光干涉在测量中的应用 •激光衍射测量及应用 •激光在其他方面的应用 •固体摄像器件及其应用
参考书：激光光电检测 激光检测技术
国防科技大学出版社 校编教材
1
激光光电检测
激光诱导钛合金等离子体电子温度和电子密度的时间分辨测量
第23 卷第 1 期2024 年 3 月宁夏工程技术Vol.23 No.1 Ningxia Engineering Technology Mar. 2024激光诱导钛合金等离子体电子温度和电子密度的时间分辨测量胡桢麟1，高阳2，林楠1*，郭连波3（1.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800； 2.华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237；3.华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北武汉430074）摘要：以波长为532 nm的纳秒脉冲激光器为激发源，使用中阶梯光栅光谱仪和增强电荷耦合器件（ICCD）获得了激光诱导钛合金等离子体的时间分辨发射光谱；基于发射光谱，利用玻尔兹曼图法和萨哈-玻尔兹曼图法计算了等离子体电子温度；采用斯塔克展宽法计算了电子密度。
研究结果表明，相较于玻尔兹曼图法，萨哈-玻尔兹曼图法可提供更为准确的电子温度计算结果。
此外，光谱采集门宽的增大会导致等离子体电子温度和电子密度计算值的减小。
以上研究结果为钛合金的激光诱导击穿光谱（LIBS）分析提供了实验指导。
关键词：钛合金；激光诱导等离子体；电子温度；电子密度；时间分辨测量；激光诱导击穿光谱中图分类号：O433.4 文献标志码：A激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种热门的元素成分分析技术，其原理是采用高能量的脉冲激光聚焦烧蚀待测样品表面，诱导产生等离子体，然后通过等离子体的发射光谱对样品中的元素种类及含量进行分析［1-3］。
由于LIBS技术具有无需或简单制样，可实现原位、实时、远程和全元素检测等优点，目前已被应用于冶金［4］、燃煤［5］、核工业［6］、环保［7］、勘探［8］和火星探测［9］等领域。
在冶金领域中，LIBS技术常用于合金样品的元素成分分析，高能量脉冲激光与固体的相互作用会经历加热、熔化、气化和电离等复杂过程，最终诱导产生等离子体。
产生的等离子体在冷却过程中其电子温度与电子密度等特性在微秒尺度上快速变化，进而会影响LIBS光谱的成分、强度与稳定性等特性。
里德堡原子微波电场测量
doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2021.01.01里德堡原子微波电场测量白金海，胡栋，贡昊，王宇（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095）摘要：里德堡原子是处于高激发态的原子，其主量子数大、寿命高，具有极化率高、电偶极矩大等特点，对外电场十分敏感。
基于热蒸气室中里德堡原子的量子干涉原理（电磁感应透明和Autler-Towns分裂效应）的微波电场精密测量不仅具有远高于传统偶极天线的灵敏度，且具有自校准、对外电场干扰少、测量频率范围大等优点，是下一代电场测量标准。
本文综述了里德堡原子的微波电场测量研究，详细介绍了其基本原理和当前研究进展，并讨论了未来发展方向。
关键词：量子精密测量；里德堡原子；微波电场；电磁感应透明中图分类号：TB97文献标识码：A文章编号：1674-5795（2021）01-0001-09Rydberg Atoms Based Microwave Electric Field SensingBAIJinhai,HU Dong,GONG Hao$WANG Yu(Changcheng Institute of Metrology&Measurement,Beijing100095,China)Abstract:Rydberg atoms are the atoms in highly excited states with lar-e principaO quantum numbers n,and long lifetimes.The lar-e Ryd-ber-atom polarizabilitu and strong dipole transitions between enereetically nearby states are highly sensitive to electris fielOs.The new developed scheme for microwave electric field precision measurement is based on quantum interference effects(electromaaneticclly induced transparency and Autler-Townes splitting)in Rydbere atoms contained in a dielectric vapoe cell.The mininium measured strengths of microwave electric fieies of the new scheme are far below the standard values obtained by traditional antenna methods.And it has several advantages,such as self-calibration,non-perturbation to the measured field,a broadband measurement frequency range,etc,is the next-generation electric field standard.In this review,we describe work on the new method for measuring microwave electric field based on Rydberg atoms.We introducc the basic theory and experimental techniques of the new method,and discuss the future development direction.Key words:quantum precision measurement；Rydberg atoms；microwave electric fielO；electromagnetically induced transparency0引言原子是一种典型的量子体系，具有可复现、性能稳定、能级精确等优点。
RLC振荡的脉冲激光器驱动特性
第42卷第4期2021年4月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.42No.4Apr.,2021文章编号：1000-7032(2021)04-0510-08RLC振荡的脉冲激光器驱动特性李泽安心,王玉冰",秦莉',宁永强',王立军"(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林长春130033；2.中国科学院大学材料与光电研究中心，北京100049；3.鹏城实验室，广东深圳518055)摘要：在飞行时间测距(TOF)的脉冲激光雷达(lidar)中，激光器驱动十分重要,其性能直接影响激光雷达系统的作用距离、信噪比和虚警率等指标，是激光雷达的关键组成部分。
本文在目前常见的激光器驱动电路模型基础上进行创新，在储能电容的充电电路中引入适当电感，形成电阻电感电容(RLC)二阶微分振荡电路，可以大幅度提高脉冲激光器的驱动电压，从而提高驱动电流，驱动激光器产生大功率、窄脉宽的激光。
经过理论计算、软件仿真和实验验证，引入适当的电感可以将脉冲激光器的驱动电流提高85%以上，输岀功率提高114%以上。
关键词：激光雷达；大功率；窄脉宽；微分振荡电路中图分类号：TN952；TN248.4文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20200378On the Characteristics of Pulsed Laser Driver Based on RLC OscillationLI Ze-an1,2,WANG Yu-bing1*,QIN Li1,NING Yong-qiang1,WANG Li-jun1，3(1.State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Science,Changchun130033,China；2.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China；3.Peng Cheng Laboratory,Shenzhen518055,China)*Corresponding Author,E-mail:wangyubing@Abstract:The laser driver circuit is very important in time-of-flight lidar.Its performance directly affects many key system parameters such as detection range,signal-to-noise ratio and false alarm rate.This article innovatively introduces appropriate inductance in charging circuit,forming resistance,inductance and capacitance(RLC)second-order differential oscillation circuit,which can greatly increase the driving voltage of the pulse laser and thereby increasing the driving current that drives the laser to produce high-power,narrow-pulsewidth laser.Theoretical calculations,numerical simulations and experimental verification show that driving current of pulse laser can be increased for over85%,and the output power is increased for over114%as an appropriate inductor is introduced into the system.Key words:lidar；high power；narrow pulse width；differential oscillator circuit收稿日期：2020-12-10；修订日期：2020-12-31基金项目：国家重点研发计划(2017YFB1104400)；国家自然科学基金(61934003)；吉林省科技发展计划(20200501007GX, 20200501008GX)资助项目Supported by National Key R&D Program of China(2017YFB1104400)；National Natural Science Foundation of China(61934003)；Projects of Jilin Province Science and Technology Development Plan(20200501007GX,20200501008GX)第4期李泽安，等：RLC振荡的脉冲激光器驱动特性5111引言激光雷达是利用激光束对目标进行测量的一种遥感设备，在军事［1-2］、商用［3］和民用［4-5］等领域有着广阔的应用前景。
第五讲激光外差干涉测长与测振
提出问题 解决问题
双频激光直线度测量仪，在长距离上测量直 线度，具有很高的精度和可靠性，但是这种 仪器能否用于长距离同轴度的精密测量呢？
同轴度测量仪器应具有以下的特点 (1)能够进行间断测量 (2)测量系统对激光束的平漂和角漂具有自适应能力， 光束漂移应不影响测量结果。
(3)光学系统对大气扰动应具有较强的抵抗力。
经光束扩束器3适当扩束准直后，光束被分束镜4分为两部分
根据马吕斯定律， 两个互相垂直的 线偏振光在450方 向上的投影，形 成新的同向线偏 振光并产生 “拍”，其拍频 就等于两个光频 之差，即△v＝ v1—v2＝1.5MHz
一小部分被反 射到检偏器5 上，检偏器的 透光轴与纸面 成450
由光电接收器6接收后 进入交流放大器7，放 大后的信号作为参考信 号送给计算机
v1光的光程较原来的减少了2AC；与此相反，v2光的光程 却增加了2BD。两者总差值等于2（AC+BD），根据这一 数值，即可以算出下落量
以线量表示 的导轨直线 性偏差
精度 测直线度的精度可达土1．5μm，其分辨率为lμm，最大检 测距离可达3m，最大下落量可测到1．5mm
(三)双频激光干涉用于同轴度的精密测量
一部分光束透过分束 镜4沿原方向射向偏振 分束棱镜8。偏振方向 互相正交的线偏振光 被偏振分束镜按偏振 方向分光， v1被反射 至参考角锥棱镜9， v2则透过8到测量角锥
棱镜10
若测量镜以速度V运动(移动或振动)，则由于多普勒 效应，从测量镜返回光束的光频发生变化，其频移
光束返回后重新通过偏振分束镜10与v1的返回光会合，经 反射镜11及透光轴与纸面成450的检偏器12后也形成 “拍” ，其拍频信号可表示为
激光外差干涉测试技术
基于激光干涉的微小位移测量方法研究
基于激光干涉的微小位移测量方法研究激光干涉技术是一种能够高精度地测量微小位移的方法，广泛应用于各种领域，包括科学研究、工业制造和生物医学等。
本文将对基于激光干涉的微小位移测量方法进行研究，探讨其原理、应用和发展前景。
1. 方法原理基于激光干涉的微小位移测量方法利用激光光束经过分束器分为两束，分别照射到被测物体的不同位置。
其中一束光直接照射到被测物体的表面，另一束光通过反射或透过被测物体后再反射回来，两束光在接收器上发生干涉。
通过比较两束光的相位差，即可计算出被测物体的微小位移。
2. 测量系统组成基于激光干涉的微小位移测量系统主要由激光器、分束器、参考光路、被测光路、光学器件和接收器等组成。
其中激光器产生单色、相干光源，分束器将激光分为两束，参考光路和被测光路分别接收两束光，经过光学器件的干涉后，通过接收器接收干涉光信号。
3. 主要应用领域基于激光干涉的微小位移测量方法在许多领域都有广泛的应用。
在科学研究方面，可以用于材料力学性能的研究、纳米技术的发展等。
在工业制造中，可以应用于机械零部件的精度检测、光学元件的测试等。
在生物医学领域，可以用于心脏跳动、血液流动等生物信号的测量。
4. 系统改进和发展趋势基于激光干涉的微小位移测量方法在实际应用中还存在一些问题，如对环境光的敏感性、高频振动的干扰等。
为了改善系统的稳定性和精度，研究人员正在不断探索新的方法和技术。
其中，数字干涉技术和相位准确度提高技术是两个重要的改进方向。
数字干涉技术利用数字信号处理技术将干涉光信号转换为数字信号进行处理，可以提高系统的稳定性和抗干扰能力。
相位准确度提高技术通过改善光路设计和增加相位校准装置，提高系统的相位测量精度。
此外，新的光学材料和光学器件的发展也将为基于激光干涉的微小位移测量方法带来更多的应用和突破。
5. 结论基于激光干涉的微小位移测量方法是一种高精度、非接触的测量技术，在许多领域有着广泛的应用前景。
通过对系统原理、应用领域和发展趋势的研究，我们可以看到该方法在科学研究、工业制造和生物医学等方面的巨大潜力。
光电子技术安毓英习题答案(全)
第一章1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。
解：因为ΩΦd d ee I =， 且 ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-===Ω⎰22000212cos 12sin c R R l l d d r dSd c πθπϕθθ 所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Ω=Φ220012c e e e R l l I d I π2. 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。
若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。
解：亮度定义:r r ee A dI L θ∆cos =强度定义:ΩΦ=d d I e e可得辐射通量：Ω∆=Φd A L d s s e e θcos在给定方向上立体角为：20cos l A d cc θ∆=Ω 则在小面源在∆A c 上辐射照度为：20cos cos l A L dA d E cs s e e e θθ∆=Φ= 3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。
答：由θcos dA d d L e ΩΦ=得θcos dA d L d e Ω=Φ，且()22cos rl A d d +=Ωθ 则辐照度：()e ee L d rlrdrlL E πθπ=+=⎰⎰∞2022224. 霓虹灯发的光是热辐射吗？不是热辐射。
霓虹灯发的光是电致发光，在两端放置有电极的真空充入氖或氩等惰性气体，当两极间的电压增加到一定数值时，气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子受到激发。
当它由激发状态回复到正常状态会发光，这一过程称为电致发光过程。
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第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.5 2002年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2002 文章编号: 100124322(2002)0520735204光阴极微波电子枪中激光脉冲的时间抖动测量Ξ刘圣广, 李永贵, 王鸣凯(中国科学院高能物理研究所,北京100080) 摘 要: 研究了光阴极微波电子枪输出电荷量与驱动激光相对于微波入射相位的关系。
通过对光阴极材料在光电子发射时的肖特基效应和电子束团在电子枪内的纵向加速过程分析模拟,得到了电子枪输出电荷量与激光入射相位的一段线性关系,设计了利用此关系测量驱动激光脉冲相对于微波相位的时间抖动的实验方案。
结果表明,这种测量方法可以分辨1.15fs的时间抖动,误差为0.23fs。
关键词: 电子枪; 肖特基效应; 时间抖动; 测量 中图分类号: TN206; TN248.35 文献标识码: A 在深紫外和X光自由电子激光装置中,电子直线加速器以光阴极微波电子枪为注入器。
光阴极微波电子枪要求驱动激光脉冲与微波相位严格同步[1],因为激光脉冲相对于微波相位的时间抖动极大地影响电子枪输出电子束的质量。
对于高增益自由电子激光,这种时间抖动的均方根值要求在1ps内,它相当于频率为21856GHz微波的1°的相位。
一般的测量方法[2]是:首先将锁模激光脉冲经光电二极管变为电信号,取它的频率为2.856GHz的傅立叶谐波信号,将其与微波源来的微波信号分别送入鉴相器进行位相比较,鉴相器输出误差信号,滤掉高频成分。
误差信号的涨落幅度对应着激光脉冲相对于微波相位的时间抖动大小。
这种测量方法,原理上是利用锁相环技术。
但由于频率极高,对测量线路的电子学和光学的工艺技术要求非常苛刻,目前世界上只有少数几家公司能提供达到这种高精度要求的电子仪器设备。
本文提出一种新的测量机制,它根据光电发射时的肖特基效应,利用光阴极微波电子枪实验系统通过探测电子枪输出电荷量与驱动激光发射相位的关系来测量时间抖动的大小。
文章从理论和数值模拟两方面对该方法进行了探讨。
1 测量原理1.1 肖特基效应 光阴极微波电子枪电子的发射机制是光电效应:频率足够高的光照射到阴极材料上,当光子的能量大于材料的逸出功时,被某一电子吸收,电子将挣脱原子的束缚逸出材料,成为光电子。
在电场中,逸出功与材料表面的电场强度有关,这一现象就是肖特基效应[3]。
逸出功与电场强度遵循如下关系<=<0-eE/4πε0(1)式中:E是材料表面的微波电场强度;<0是没有电场时材料的逸出功;e是电子电量;ε0是真空的介电常数。
在光电子发射过程中,材料的量子效率Q E正比于光子能量和逸出功差值的平方[4],即Q E∝(hν-<0+eE/4πε0)2(2)式中hν是驱动激光光子的能量。
对于光阴极微波电子枪,驱动激光脉冲持续时间约十几个ps,在这段时间内,阴极表面电场是变化的,用E(t)表示。
光电流可表示为J=A I(t)[hν-<0+eE(t)/4πε0]2(3)式中:I(t)激光脉冲在持续时间τ内的强度分布;A为比例系数,与材料和驱动激光参数有关。
一般情况下,激光与材料的选择会使(hν-<0)很小,所以可将(3)式写为J=A I(t)eE(t)/4πε0(4)一个激光脉冲打出的光电子的总电量应该是对(4)式在τ内的时间积分,即Ξ收稿日期:2002205202; 修订日期:2002208201基金项目:SSRF深紫外自由电子激光实验装置L前期研究项目(U227)作者简介:刘圣广(19682),男,博士,山东禹城人,主要从事自由电子激光理论及实验研究、光阴极微波电子枪的设计;北京2732216信箱;E2mail:liushg@。
Q=∫τ0A I(t)eE(t)d t/4πε0(5)在光阴极加速枪中,阴极表面电场可写为E(t)=E0sin(ωt+θ0)(6)式中:E0为阴极表面的峰值场强;θ0为激光入射时对应的微波初始相位。
将(6)式代入(5)式,可得到Q=∫τ0A I(t)eE0sin(ωt+θ0)d t/4πε0(7)进一步积分可得Q=Q0sin(δ+θ0)(8)式中:Q0=a2+b2,tanδ=a/b,其中a=(eA E0/4πε0)∫τ0I(t)sin(ωt)d t,b=(eA E0/4πε0)∫τ0I(t)cos(ωt)d t。
因为激光脉宽τ很小,只有十几个ps,a远远小于b,所以δ角度很小。
假设驱动激光脉冲宽度是10ps,时间分布均匀。
对于频率为2.856GHz的微波,可以求出,δ≈5°。
激光脉冲产生的电荷量与入射相位呈正弦关系,如图1。
Q0是单个激光脉冲打出的光电子的最大电荷量。
为讨论方便,假设驱动激光脉冲在宽度τ内均匀,即I(t)=I0为常数。
那么Q0=A E0I02-2cos(ωτ)/4πε0ω=A E0I0sin(ωτ/2)/2πε0ω(9) 单个激光脉冲产生的光电子的最大电荷量与阴极表面电场E0和激光强度I0成正比,还与ωτ有关系。
Fig.1 Variation of output charge from surface of cathode vslaser injection phase 图1 电荷量与入射相位关系Fig.2 Schematic of photo2cathode RF gun图2 电子枪结构1.2 光阴极微波电子枪输出电量与激光入射相位的关系 图2是我们设计的1.6腔光阴极RF电子枪的结构。
图中示出了腔的内部轮廓,光阴极材料置于阴极盘的中心,补偿线圈用于发射度补偿;表1是电子枪基本参数,其中E2,E1分别为整腔、0.6腔的峰值电场。
根据RF电子枪中束流动力学理论,光电子从阴极发出后并不是都可以通过微波电场加速从枪中输出。
入射相位θ0不合适,光电子在枪内将被反向的微波电场拉回并轰击到阴极上,形成“反轰”。
当然,实际工作的光阴极微波枪,激光的入射相位表1 电子枪基本参数T able1 B asic p arameter of RF gunresonant frequency 2.856GHzshunt impedance58.6MΩ/m effective shunt impedance22.6MΩ/m quality factor15200transit2time factor0.62E2/E11是远离“反轰”相位的。
这里,我们有意使电子枪工作在能产生“反轰”的这种非正常状态上,用PARM ELA程序模拟计算得到电子枪输出的电荷量与入射激光脉冲相对于微波的入射相位的关系,利用这个关系来探测激光的时间抖动。
图3(a)是模拟计算出的电子枪输出电荷量与激光相对于微波的入射相位θ0的关系。
模拟条件是:δ角为5°,最大的束团电荷量为1nC,束团长度为10ps,光阴极表面最大场强为130MV/m。
为避免由于束团包络增大而导致电子撞到枪壁上损失掉,计算中没有计入空间电荷效应。
当然,实际实验中空间电荷效应是不可避免的,但可以通过调整补偿线圈而避免这种电荷损失。
图3(b)是图3(a)曲线下降沿的局部放大。
由图4可发现,θ0在110°～115°范围内,输出电荷量Q与θ0有很好的线性关系。
该段曲线可用下式表示637强激光与粒子束第14卷Fig.3 Output electric charge Q vs the injection phase of laser pulse图3 电子枪输出电荷量与激光脉冲的入射相位的关系Fig.4 Schematic of the measurement experiment图4 实验测量框图Q =Q 0-k θ0(10)可得,电量的变化量与激光相对于微波的入射相位的抖动量间的关系为ΔQ =k Δθ0(11) 我们可以利用这一线性范围作为测量的工作区域。
实验中通过调节微波移相器使激光在微波相位的这一范围内入射。
测量输出电量的变化,得到激光相对微波的相位抖动。
为了得到高的测量灵敏度,由上面的分析知道,式(11)中的斜率越大越好,但线性范围也必须具有一定的区域。
模拟计算发现,不同的模拟条件,斜率和工作区域略有不同。
激光脉宽越小,但斜率越大。
2 相位抖动的实验设计 电量测量利用法拉第筒。
法拉第圆筒两极面间的电压随时间有一个变化过程。
进入法拉第筒的电子束的电荷量Q 与两极间的电压有下述关系Q =(1/R )∫τ0V (t )d t (12)式中:R 为电阻;V (t )为两极面间的电压;τ为激光脉冲的周期。
因为充电过程是在瞬间(十几个ps )完成的,电荷量还可写为Q =CV max (13)式中:C 法拉第圆筒电容;V max 为两极面间的最大电压。
测量用实验装置框图如图4所示。
实验中,首先通过调节微波移相器,使激光在图3所示的线性工作区域入射。
法拉第筒收集电子枪输出的光电子,用示波器直接读取法拉第筒的电压、波形。
PC 机通过A/D 卡采集示波器信号,存储为数据文件,然后处理数据。
3 测量精度及误差分析3.1 精度分析737第5期 刘圣广等:光阴极微波电子枪中激光脉冲的时间抖动测量 法拉第圆筒测电荷量的精度很高,可以分辨几十个fC的电量变化。
以前面模拟的工作情形为例。
式(11)可具体表示为ΔQ=-0.087Δθ(14)式中ΔQ的单位是nC,θ0的单位是(°)。
我们采用的法拉第圆筒是自己研制的,灵敏度是100fC,由(14)式很容易推得,这种测量方法的测量精度是0.00115°(对2.856GHz系统),也就是1.15fs的时间分辨。
3.2 误差分析 由式(8),(9)可知,单个激光脉冲产生的电荷量与激光强度、激光脉宽、激光相对于微波的入射相位、阴极表面的最大电场梯度几个因素有关。
对于光阴极微波电子枪,驱动激光相对微波的脉冲宽度总是很小,所以式(9)可以写为Q0=A E0I0τ/4πε0(15) 那么,在上述影响电荷量的诸因素中,除激光入射相位以外的其他因素所引起的电荷量的相对变化为d Q Q =d E0E0+d I0I0+dττ(16) 阴极微波电子枪系统在通常情况下,d E0/E0≈0.3%,d I0/I0≈1%,dτ/τ=1%。
那么光阴极产生的电荷量的相对误差,也就是电子枪输出电荷量的相对误差在1.45%～2.3%之间,我们按2%估算。
现假设激光在线性区入射时,电子枪输出电荷量为100pC,那么,2%的误差将引起2pC的电荷量变化,由(14)式推得,引起的时间测量误差是0.23fs。
4 结 论 在光阴极微波电子枪中,光电子发射时的肖特基效应和束流在电子枪中纵向加速过程两方面因素,使电子枪输出电量与激光入射相位呈现出一线性度很好的工作区域。