基于等离激元纳米结构的光辐射超短电子脉冲产生及控制

Nanoscale ultrashort electron pulse from femtosecond plasmonic nanostructure will play an important role in the next generation x-ray free electron laser, ultrafast photocathode, photoemission-based microelectronics and ultrafast electron microscopy. Up to now, there is no report on feature investigation of electron pulse from plasmonic nanostructure in high spatial resolution mode. To the best of our knowledge, we first propose the investigation on photoemission electron process of plasmonic nanostructure with a high spatiotemporal resolution Time-of-Flight PEEM as well as perform all-optical control on electron pulse generation. The influence of nanostructural and femtosecond laser parameters on photoelectron mechanism and the corresponding electron yield as well as electron energetic spectrum will be carried out to deeply understand how to adjust the photoelectron process. Furthermore, by varying polarization direction of single femtosecond laser beam and delay between the pulses of the two femtosecond laser beams, an all-optical control of electron emission sites, electron pulse switching and double electron pulses generation with a separation of sub-fs temporal precision will be realized.

飞秒等离激元结构阵列辐射的纳米尺度超短电子脉冲将在下一代自由电子激光、光阴极、光辐射基础的超快微电子器件以及电子显微术中发挥重要的作用。迄今为止，尚未有等离激元纳米结构阵列辐射电子脉冲特性高空间分辨研究的报道。本项目采用具有测量电子能量功能的光辐射电子显微镜（其空间分辨率好于20nm，能量分辨率优于50meV），首次提出对飞秒激光作用金属纳米结构阵列的电子辐射过程及其特性进行高空间-能量分辨研究，并对出射的电子脉冲进行全光控制。研究结构参数，飞秒光场参数等对电子辐射机制以及相应的电子产额、能谱（主要是电子能量分布及截止能量）的影响，并掌握其电子辐射过程的调节控制方法。进一步通过改变单束飞秒光脉冲偏振方向以及双束飞秒光脉冲间的延时等方法，实现对等离激元金属结构阵列所辐射出飞秒-纳米时空尺度电子脉冲的出射位置、开关切换以及具有亚飞秒延时精度双电子脉冲形成等过程的全光控制。

本项目对等离激元纳米结构光电子脉冲的发射特性进行了表征及主动控制，较好地完成了项目的预定研究内容，并取得了多项创新性研究结果。.1.利用ToF-PEEM测量了不同波长与功率情况下金bowtie与金七聚体结构光发射电子产额与能量分布。结果表明金bowtie在等离激元共振激发下光电子产额与截止能量有显著提升；金七聚体结构在Fano共振激发下实现了光电子从多光子电子发射转变为场发射。研究结果表明金属纳米结构光电子发射特性主要由等离激元场决定。.2. 金属bow-tie和月牙形微纳米结构空间分辨光电子能谱的研究结果表明，相比于金膜表面的随机纳米颗粒，金bowtie结构能够激发更强的等离激元场，从而进一步提升了光电子发射几率与截止能量。在月牙形等离激元透镜结构中，利用ToF-PEEM实验确定了聚焦等离激元光电子主要通过阈上发射过程产生，而透镜边缘局域等离激元光电子主要通过热支持多光子电子发射过程产生。.3. 在金七聚体纳米光电子发射特性的调控研究中发现，相比于金膜表面，等离激元Fano共振相同面积下的金七聚体光电子产额提升6个数量级。进一步加强入射光场的功率密度，可以由多光子过程向场发射过程过渡，并观察到局域电场对发射电子的有质动力加速作用。。.4. 在金属纳米结构光发射电子的全光控制研究中，通过改变入射激光偏振方向实现了金bowtie结构局域热点光电子发射的全光调控。通过调节平行偏振的两束飞秒激光脉冲之间的相对时间延迟实现了金bowtie结构全局热点光电子发射“开、关”状态的超快调控。同时，通过改变正交偏振两束飞秒激光脉冲的相对相位延迟实现了金bowtie光发射电子“开、关”状态在纳米空间尺度、亚飞秒延迟精度的主动调控，通过量子通道干涉理论对实验结果进行了定量解释。.该项工作对于我国实现芯片光学操控平台研究打下重要基础，对于小型电子加速器，超快电子显微术、自由电子激光器等领域具有重要意义。