The experimental observation of femtosecond dynamics in atoms and molecules by stroboscopic technologies utilizing x ray or electron flashes has attracted much attention and has rapidly developed. We propose a feasible ultrafast electron diffraction (UED) technology with high brightness and a sub-10 fs temporal resolution. We previously demonstrated a UED system with an overall temporal resolution of 31 fs by using an RF photoelectron gun and a 90° achromatic bending structure. This UED structure enabled a bunch duration of 25 fs and a low timing jitter of less than 10 fs while maintaining a high bunch charge of 0.6 pC. In this paper, we demonstrate a simple way to further compress the electron bunch duration to sub-10 fs based on installing an energy filter in the dispersion section of the achromatic bend. The energy filter removes the electrons belonging to nonlinear parts of the phase space. Through numerical simulations, we demonstrate that the electron bunches can be compressed, at the sample position, to a 6.2 fs (rms) duration for a 100 fC charge. This result suggests that the energy filtering approach is more viable and effective than complicated beam-shaping techniques that commonly handle the nonlinear distribution of the electron beam. Furthermore, a gas-filled hollow core fiber compressor and a Ti:sapphire amplifier are used to implement pump laser pulses of less than 5 fs (rms). Thus, we could present the full simulation results of a sub-10 fs UED, and we believe that it will be one of the technical prototypes to challenge the sub-fs time resolution.

中文翻译：

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亚10 fs超快电子衍射技术的开发方法

利用X射线或电子闪光的频闪技术对原子和分子中飞秒动力学的实验观察引起了人们的极大关注，并且飞速发展。我们提出了一种可行的超快电子衍射（UED）技术，该技术具有高亮度和低于10 fs的时间分辨率。我们以前通过使用RF光电子枪和90°消色差弯曲结构演示了UED系统，其总体时间分辨率为31 fs。这种UED结构可实现25 fs的束持续时间和小于10 fs的低时序抖动，同时保持0.6 pC的高束电荷。在本文中，我们演示了一种简单的方法，可以在消色差弯曲的色散部分中安装能量滤波器，从而将电子束的持续时间进一步压缩至10 fs以下。能量过滤器去除属于相空间非线性部分的电子。通过数值模拟，我们证明了对于100 fC的电荷，电子束可以在样品位置处被压缩到6.2 fs（rms）的持续时间。该结果表明，与通常处理电子束非线性分布的复杂束成形技术相比，能量滤波方法更为可行和有效。此外，使用充气的空心光纤压缩机和Ti：蓝宝石放大器来实现小于5 fs（rms）的泵浦激光脉冲。因此，我们可以介绍一个低于10 fs的UED的完整仿真结果，并且我们相信这将成为挑战低于fs的时间分辨率的技术原型之一。我们证明，对于100 fC的电荷，电子束可以在样品位置压缩到6.2 fs（rms）的持续时间。该结果表明，与通常处理电子束非线性分布的复杂束成形技术相比，能量滤波方法更为可行和有效。此外，使用充气的空心光纤压缩机和Ti：蓝宝石放大器来实现小于5 fs（rms）的泵浦激光脉冲。因此，我们可以介绍一个低于10 fs的UED的完整仿真结果，并且我们相信这将成为挑战低于fs的时间分辨率的技术原型之一。我们证明，对于100 fC的电荷，电子束可以在样品位置压缩到6.2 fs（rms）的持续时间。该结果表明，与通常处理电子束非线性分布的复杂束成形技术相比，能量滤波方法更为可行和有效。此外，使用充气的空心光纤压缩机和Ti：蓝宝石放大器来实现小于5 fs（rms）的泵浦激光脉冲。因此，我们可以介绍一个低于10 fs的UED的完整仿真结果，并且我们相信这将成为挑战低于fs的时间分辨率的技术原型之一。该结果表明，与通常处理电子束非线性分布的复杂束成形技术相比，能量滤波方法更为可行和有效。此外，使用充气的空心光纤压缩机和Ti：蓝宝石放大器来实现小于5 fs（rms）的泵浦激光脉冲。因此，我们可以介绍一个低于10 fs的UED的完整仿真结果，并且我们相信这将成为挑战低于fs的时间分辨率的技术原型之一。该结果表明，与通常处理电子束非线性分布的复杂束成形技术相比，能量滤波方法更为可行和有效。此外，使用充气的空心光纤压缩机和Ti：蓝宝石放大器来实现小于5 fs（rms）的泵浦激光脉冲。因此，我们可以提供一个低于10 fs的UED的完整仿真结果，我们相信这将成为挑战低于fs的时间分辨率的技术原型之一。