X射線是波長介于紫外線和γ射線 間的電磁輻射，波長很短，約為（20～0.06）×10-8厘米之間，具有很高的穿透本領，能透過許多對可見光不透明的物質，如墨紙、木料等。而隨著激光技術的出現和發展，激光X射線源開始出現在科學領域的研究范圍內，但是由于各方面的限制，激光X射線的研究和應用大大受阻，就在近日，中國科學院物理研究所傳來可喜消息，激光X射線研究有了新的進展。
飛秒脈沖強激光與靶物質相互作用，產生的超熱電子通過K殼層電離輻射等方式產生硬X射線。 由于這種X射線源具有超快的特點，非常適合對物質進行飛秒時間分辨的動力學探針，加上其微米尺度的源尺寸、極低的成本和比擬甚至高于同步輻射源的源峰值亮度，具有在醫學、生物學和材料學等方面極大的應用前景。但是現有的激光X射線源的信噪比低、光子總額少、時間寬度大、空間相干性差等不足，使其在實際應用中受到極大限制。
中國科學院物理研究所光物理重點實驗室激光高能量密度物理研究組 陳黎明 研究員及所屬團隊，在激光X射線研究方面取得系列重要進展：首先利用高對比度激光與固體靶相互作用產生了低本底、高轉換效率的Ka射線源[Phys. Rev. Lett. 100, 045004(2008)]； 然后為了進一步提高上述各種參數以產生更強，單色性更好的X射線源，采用了高對比度的飛秒脈沖與小尺寸氣體團簇相互作用，將光子產額有提高了一個量級，實現了單發脈沖無聚焦X射線成像，所產生的X射線源具有10飛秒量級的時間分辨，比較徹底地克服了前述激光X射線源的不利因素[Phys. Rev. Lett. 104, 215004(2010)]。這些成果極大地推動此領域的發展并確立基于激光的X射線源在超快研究中真正的實際應用價值和地位，著名學者V. Malka將這些成果歸結為“第二代”Ka射線源。
激光驅動的超快硬X射線光源除了上述內殼層電離產生的Kα單色源（發散度較大）外，近年國際上還出現了臺面Betatron輻射源（發散度小、寬譜）。它是由超強超短激光在低密度等離子體中激發尾波場，注入離子“空泡”中的電子在被縱向加速的同時會以等離子體尺度為周期進行橫向的波蕩，從而產生類似同步輻射的Betatron輻射。作為等離子體中電子加速重要的“伴生”過程，該輻射的品質由被加速電子的行為來決定。但目前由于電子加速中能量和電荷量之間，以及電子品質和波蕩幅度之間存在著相互制約的矛盾，使Betatron輻射的產額受到極大限制，國際上報道最好的研究組利用40TW激光產生了5x107/發 [見：Nature Physics 6, 989(2010)]。該研究團隊與上海交大張杰院士、盛政明教授團隊合作開展高度準直的臺面Betatron輻射光源的研究。他們在實驗中利用僅僅3TW的飛秒激光與氣體Ar團簇相互作用，由于團簇的介入激發了通常用PW裝置才能驅動的“激光直接加速”（DLA）機制，在獲得nC量級大電荷量電子加速的基礎上，增大了電子的波蕩振幅，成功獲得超強的Betatron輻射。單發激光獲得能量2.4keV以上的X射線光子數大于2x108/發，且具有很小的空間發散角~10mrad。這個結果將目前報道最好的Betatron輻射的轉換效率提高了40倍，能利用小能量、高重頻激光器突破目前輻射源低平均流強的發展瓶頸。
這項進展發表在[L. M. Chen et al, Scientific Reports. 3, 1912(2013)]上，本研究得到科技部973A類項目、科技部國家重大儀器專項、863高技術研究計劃以及國家自然科學基金的支持。
圖1.實驗從團簇(a)和氣體(b)獲得的Betatron輻射及能譜(c)
圖2.和氣體靶相比，團簇更利于大電荷量的產生（50倍）
圖3.模擬顯示和氣體靶比較而言團簇中有更多電子介入加速過程
圖4.模擬顯示團簇使DLA機制得以激發，電子從橫向獲得能量和很大波蕩幅度，利于betatron輻射產額的提升
中國科學院物理研究所成功將Betatron輻射的轉換效率提高了40倍，通過能小能量、高重頻激光器突破目前輻射源低平均流強的發展瓶頸，真正確立了基于激光的X射線源在超快研究中真正的實際應用價值和地位。
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