飛秒脈沖強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用將產(chǎn)生硬X射線。激光X射線源具有超快的特點(diǎn)，非常適合對物質(zhì)進(jìn)行飛秒時(shí)間分辨的動力學(xué)探針，具有在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和材料學(xué)方面極大的應(yīng)用前景。 但現(xiàn)有的激光X射線源存在信噪比低、光子總額少、空間時(shí)間相干性差等應(yīng)用瓶頸。中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室(籌)光物理實(shí)驗(yàn)室激光高能量密度物理研究組陳黎明研究員及所屬團(tuán)隊(duì)，在該領(lǐng)域取得過系列進(jìn)展：首先利用高對比度激光與固體靶作用產(chǎn)生了低本底、高轉(zhuǎn)換效率的Ka射線源[PRL. 100， 045004 (2008)]; 再采用飛秒脈沖與小尺寸氣體團(tuán)簇作用，將光子產(chǎn)額提高一個(gè)量級并系統(tǒng)地克服了激光Ka輻射源的不利因素[PRL. 104， 215004(2010)]。邁出了激光X射線源實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

　　激光驅(qū)動的超快硬X射線源除了內(nèi)殼層電離的Ka輻射(發(fā)散度大、單色)外，還出現(xiàn)了電子回旋(betatron)輻射(發(fā)散度小、寬譜)。作為電子加速重要的“伴生”過程，該輻射的品質(zhì)由被加速電子的行為來決定。但由于電子加速過程中存在相互制約的矛盾，輻射的產(chǎn)額受到極大限制。該研究團(tuán)隊(duì)與上海交大張杰院士、盛政明教授團(tuán)隊(duì)合作開展該輻射的研究。2013年在實(shí)驗(yàn)中利用僅3TW的激光與氣體團(tuán)簇相互作用，驅(qū)動了“激光直接加速”機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了電荷量和波蕩振幅的增加，成功獲得40倍增強(qiáng)的電子回旋輻射[Sci.Reports 3，1912(2013)]。

　　由于電子回旋輻射來源于電子加速過程中的波蕩，要獲得高產(chǎn)額的輻射往往需要犧牲電子束的品質(zhì)，這是電子加速和輻射源的內(nèi)秉矛盾。該團(tuán)隊(duì)由于成果的創(chuàng)新性，連續(xù)申請美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室激光打靶發(fā)次獲得批準(zhǔn)，利用美方的Callisto激光裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果克服了電子束和輻射源品質(zhì)之間相互制約的瓶頸，在大幅提升輻射產(chǎn)額的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了二者“同時(shí)獲得”的突破。 此項(xiàng)工作的創(chuàng)新性體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中利用尾波場電子加速過程中的兩次電子注入：第一群電子穩(wěn)定注入尾波場并加速形成GeV能量的高品質(zhì)單能電子束;第二群電子在空泡合并時(shí)注入能加速到更高的能量，同時(shí)它會經(jīng)歷由激光束斑震蕩誘導(dǎo)的共振，即激光束斑的周期性震蕩引起空泡的波蕩、注入的電子束受靜電回復(fù)力的驅(qū)使與空泡和激光束斑的震蕩形成共振，該團(tuán)隊(duì)將它定義為“波蕩注入”。這種新機(jī)制使電子獲得了更高的能量、更大的電荷量和波蕩振幅。實(shí)驗(yàn)中極大地提高了Betatron輻射的單發(fā)光子產(chǎn)額(5x108)，峰值亮度達(dá)1023phs/s/mm2/mrad2/(0.1% BW)量級。同時(shí)高品質(zhì)電子束和輻射源的同時(shí)獲得，為物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域提供了飛秒時(shí)間分辨的全新“X射線泵浦-電子探針”這一重要的實(shí)驗(yàn)手段。

　　這項(xiàng)進(jìn)展發(fā)表在美國科學(xué)院院報(bào)[PNAS 111(16)， 5825-5830(2014)]上。本研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部973A類項(xiàng)目、科技部國家重大儀器專項(xiàng)、863高技術(shù)研究計(jì)劃的支持。

圖1.實(shí)驗(yàn)布局圖

圖2.隨著等離子體通道的增長產(chǎn)生了兩群電子。第一群為單能電子束，而輻射的出現(xiàn)和增強(qiáng)與第二群電子的加速緊密關(guān)聯(lián)

圖3.模擬顯示兩次注入過程并且第二次注入具有更大的電荷量、波蕩幅度和加速能量

圖4.模擬顯示激光束斑的周期性震蕩引起空泡的波蕩進(jìn)而與第二群電子形成共振