2.1. THz功率测量

我们使用辐射计（RM3700，头RjP-735/RF，通过激光探针）测量太赫兹脉冲能量。我们将此探测器与Ophir Optronics Solutions（Green）的可追踪3A-P-THz的PTB（德国国家计量研究所）进行了交叉引用等人。, 2016)。辐射计探测器有一个空腔热释电探针，其时间常数为1ms。其时间响应阻止我们在1MHz脉冲内分辨出FLASH微脉冲的单个脉冲。然而，检测器时间常数与FLASH加速器定义的1 MHz突发的最大持续时间（持续时间为0.8 ms，包含多达800个脉冲）非常匹配。因此，在一次突发中对所有微脉冲进行积分，从而能够准确地确定THz平均脉冲能量。

图4描述了THz脉冲能量作为THz波荡器中心波长的函数。还描绘了作为波长的函数的总太赫兹光束线传输（从源直到光束线的末端）。我们通过建模THz源和使用同步辐射车间(SRW公司)软件包（Chubar&Elleaume，1998)。我们还考虑了将光束线与加速器真空（Gensch等人。, 2008)。我们给出了FLASH加速器不同电子束设置的四个测量示例。注意，THz波荡器长波长调谐范围的突变端与在特定电子束能量下可以达到的最大波长有关，并由波荡器内的最大场（1.2 T）决定（另请参见图2).

图4 对于FLASH加速器的不同条件，在束线末端站测量的太赫兹脉冲能量。蓝色虚线显示光束线传输，使用SRW公司软件包（Chubar&Elleaume，1998).

2.2. THz时间剖面测量

通过电光采样（EOS）方法的太赫兹时域光谱（TDS）是一种成熟的技术，用于全面表征太赫兹脉冲时间结构（Wu&Zhang，1995; Schmuttenmaer，2004年)，在宽光谱范围内。太赫兹脉冲的电场改变了EOS晶体的双折射。这种瞬态变化通过超短激光脉冲进行采样。通过及时扫描激光脉冲，可以重建完整的太赫兹脉冲形状。

在基于加速器的光源（如FLASH）上，激光系统与FLASH加速器的主时钟（Schulz等人。, 2015)。使用外部同步激光器进行EOS检测的主要限制因素之一是FEL和激光脉冲之间的时间抖动。抖动限制了EOS检测的时间分辨率和随后的频谱带宽。我们已经测量了THz盒中探测激光（脉冲持续时间20 fs FWHM）相对于FLASH THz脉冲的抖动，约为100 fs RMS（～200 fs峰间）。为了解决这个问题，我们选择使用光谱解码电光检测（EOSD）在单次激发的基础上检测THz脉冲的到达时间（Jiang&Zhang，1998)。该技术通过将太赫兹脉冲电场压印到拉伸探针激光脉冲上，从而确定一个相对于另一个的到达时间，从而实现单次太赫兹检测。光谱解码具有光子效率（对于单次激发方法），即使使用飞秒振荡器脉冲，也可以进行到达时间检测，从而可以实现与FLASH脉冲模式匹配的高重复率到达时间检测方案。然后，FLASH处THz脉冲的全EO检测包括两个主要部分：通过频谱解码结合扫描电光采样（EOS）来监测到达时间。EOS数据根据到达时间进行分类，并检索THz脉冲形状。完整的检测装置安装在高真空室（10⁻⁷ mbar）以避免因环境空气中的吸收而导致测量失真。我们实现了9.7 fs RMS的到达时间排序时间分辨率。最重要的是，EOS采样的带宽为37–3000µm（0.1–8 THz），受磷化镓（GaP）EOS晶体（100µm厚）的限制。该设置是与HZDR的TELBE团队合作开发的，详细信息可在文献中找到（Kovalev等人。, 2017; 戈尔兹，2018年).

图5显示了两个测量THz波形剖面的典型示例(一)和5(b条)THz和探测激光束重叠并聚焦在GaP EOS晶体上，光束尺寸分别为350µm FWHM和70µm FIWHM。将THz波荡器设置为155µm和42µm的标称波长（分别对应1.93 THz和7.1 TH的频率）。对于长波长示例，给出了未滤波和光谱滤波脉冲。线栅THz带通滤波器使用的中心波长为155µm（1.93 THz），光谱带宽为15%。对于未滤波的脉冲，有趣的是观察到电场和高次谐波含量沿脉冲增加。这表明了电子束团形状因子的变化（Nodvick&Saxon，1954)在波动器内部。在各自的未滤波THz脉冲频谱中[见图5(c（c）)]我们清楚地观察到169µm（1.77 THz）处的一次谐波峰值和52µm处的三次谐波峰值（5.68 THz），基线包括来自转储磁体辐射的宽带谱。正如预期的那样，THz的测量带通滤波器显示了约160µm（1.87 THz）的强峰值，在75至100µm之间（3至4 THz）有少量（百分之几）泄漏。同样，在短波脉冲（调谐至42µm）的光谱中，我们观察到43µm（7 THz）处的一次谐波峰值。

图5 用到达时间序列时域光谱（TDS）测量THz脉冲波形。(一)波动器在155µm（1.93 THz）的标称波长下产生的THz脉冲。未过滤的时间剖面由蓝线显示，由红线过滤，155µm（1.93 THz）带通滤波器（15%带宽）。(b条)43µm（7 THz）处的未滤波THz脉冲（绿线）。(c（c）)相应的THz脉冲谱。

值得注意的是，EOSD方案可以在其他实验中用作THz到达时间检测工具。最近的一项应用评估了BL3（Zapolnova等人。, 2018).

2.3. THz波束剖面

了解横向THz光束轮廓非常重要，因为它可以精确测定样品上的注量（和峰值场），以及优化光学设计，以最大限度地提高实验中的光束传输。我们使用SRW公司软件包（Chubar&Elleaume，1998)并在FLASH（Asgekar）上观察波荡器和倾卸磁铁辐射（边缘和弯曲辐射）之间的强干扰效应等人。2014年).

图6显示了在关闭THz波荡器的情况下，从倾卸磁铁测量的THz波束剖面示例(一)图6显示了调谐至88µm（3.4 THz）的THz波荡器波束示例(b条)。光束已在THz诊断柜中成像，以便对辐射源下游约10米处的飞机成像。我们对光束进行二维光栅扫描。作为探测器，我们使用了一个放大的热释电探测器（来自InfraTec的LME-501）。两次测量均使用30µm长通太赫兹光谱滤波器进行。这些简介由SRW公司计算，即在30–300µm（1–10 THz）的光谱范围内对输出功率进行积分，以考虑滤波，并使用50 fs RMS长电子束的形状因子。

图6 FLASH（顶部）THz横梁剖面。(一)卸载磁铁（THz波动器关闭），以及(b条)调谐至88µm（3.4 THz）的THz波荡器，在THz槽中测量的无聚焦光束轮廓；光束位置在距离虚拟源10米处成像。请注意，波荡器轮廓用零填充，以填充相同的图像大小。（底部）相同的光束聚焦。(c（c）)卸载磁束（600µm FWHM），以及(d日)THz波荡器光束（350µm FWHM）。

对于倾卸磁铁，测量和计算均呈现出半月形结构，这可以通过边缘辐射与倾卸磁铁弯曲辐射的干扰来解释。对于THz波荡器光束，我们在水平面上观察到轻微的不对称性，这可以通过波荡器的干扰和漏磁辐射（Asgekar等人。2014年).

我们用焦距为150mm的离轴抛物面镜聚焦两束光束，并用Ophir Photonics的Pyrocam III相机测量转储磁体的光束轮廓，用微测辐射热计相机测量波动器光束的光束轮廓。结果如图6所示(c（c）)和6(d日)分别是。我们观察到，转储磁铁的束流尺寸为600µm FWHM，波动器束流的束流大小为350µm。

此外，我们通过波前传播跟踪THz波荡器光束轮廓的演变SRW公司。波荡器辐射波长设置为160µm（1.87 THz）。为了进行实验验证，我们在THz诊断柜中沿光束路径的五个不同位置测量光束轮廓[见图7(一)]，使用刀锋技术。零位置表示将光束提取到THz诊断站的THz光束线窗口。我们假设高斯光束轮廓，并通过拟合获得光束参数。图7中的曲线图(b条)比较通过以下公式计算的束流尺寸演变（FWHM）SRW公司（棕色曲线），采用近似高斯光束传输（ABCD矩阵形式），根据测量数据（绿色曲线）拟合THz光束线传输的最后10 m。焦距分别为3.8 m和1.8 m的两个环形镜分别插入1 m和7 m的位置标记处。在这个特殊的例子中，目标是通过位于10米位置标记处的25毫米孔径将THz光束耦合到一个实验室中，以尽可能高的传输率。红色曲线表示等效于6的THz光束尺寸σ（或99.7%的光束能量），在10 m位置标记处，我们达到了所需的亚25 mm光束尺寸。我们观察到这两个数值模型之间存在合理的一致性，高斯光束传播的巨大优势是可以快速有效地评估光学系统中的光束大小。

图7 160µm（1.87 THz）处的THz波荡器光束大小及其传播。(一)在高斯光束传播拟合的光束路径（红色圆圈）上的五个不同位置测量的光束尺寸。(b条)THz光束在10米路径上的传播，聚焦镜插入1米和7米位置标记处。THz光束由拟合高斯光束（FWHM）（绿色曲线）近似，并通过以下公式从光源计算得出SRW公司（FWHM）（棕色曲线）和6σ（红色曲线）。

2.4。太赫兹频谱测量

为了快速表征太赫兹光谱，在不需要时间脉冲结构的情况下，我们研制了基于反射式层状光栅的傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪。与最常用的迈克尔逊干涉仪（基于振幅分割）不同，反射式层状光栅干涉仪（Richards，1964）; 贝尔，1972年)在空间上划分波前。正因为如此，反射片层光栅设计具有一个关键优势：高（接近100%）和平滑的效率响应(例如没有困扰迈克尔逊干涉仪的典型法布里-佩罗干涉）。层状光栅和迈克尔逊干涉仪的效率比较见Richards（1964）的图3)。值得注意的是，由于具有较大的光谱带宽，层状光栅已在极端紫外线（XUV）光谱和计量学（Gebert等人。2014年; 乌森科等人。, 2017).

如图8所示薄片光栅光谱仪由两个交错光栅组成，由直径为100mm的镀金铜镜制成。一个固定，另一个安装在机动舞台上，负责在分裂光束之间引入光学延迟。对于检测a热释电探测器（来自InfraTec的LME-501），芯片尺寸为2 mm×2 mm。

图8 层状光栅干涉仪的方案。OAP：离轴抛物面镜。

THz光束以均匀照亮光栅的方式准直。光栅的周期(小时＝2mm）以匹配在FLASH处的太赫兹源的光谱范围。长波长极限（Bell，1972)对于层状光栅λ_最大值<小时/2，在我们的例子中为1 mm（对应于0.3 THz）。对于波长长于λ_最大值腔效应开始降低THz波的调制深度，THz波与条纹平行极化。这种几何形状的高频极限为30µm（对应于10 THz），这是由衍射理论确定的，并取决于设备的几何形状（Strong&Vanasse，1960; 纳夫塔利等人。, 2008; 费哈诺格鲁等人。, 2009):λ_最小值=小时/如果，其中如果=130 mm是抛物面镜的焦距秒=2 mm是探测器出口狭缝的宽度（由探测器有效孔径定义）。

测量的干涉图和计算的光谱示例如图9所示THz脉冲由边缘辐射产生，并通过215µm（1.4 THz）过滤带通滤波器。根据FLASH加速器的设置，在FLASH时，瞬间THz脉冲能量的波动可能高达20%RMS。我们将光束的一小部分分开进行参考测量，然后在单次拍摄的基础上对测量的干涉图进行标准化。图9中的归一化干涉图(一)在10 Hz重复频率下扫描20分钟（12000次）。图9(b条)显示了通过对测量的干涉图进行傅里叶变换获得的归一化光谱。我们从信噪比超过100的滤波器响应中观察到预期的光谱含量。

图9 使用215µm（1.4 THz）THz带通滤波器对THz边缘辐射进行FTIR测量。(一)双面干涉图。(b条)相应的光谱（红色曲线）和水蒸气的空气透射（蓝色）显示了该光谱范围内的强吸收线。

测量是在环境空气中进行的，我们观察到水蒸气吸收线的强烈调制。我们目前正在将其升级为全真空光谱仪。