飛秒脈沖強激光與物質相互作用將產(chǎn)生硬X射線。激光X射線源具有超快的特點，非常適合對物質進行飛秒時間分辨的動力學探針，具有在醫(yī)學、生物學和材料學方面極大的應用前景。 但現(xiàn)有的激光X射線源存在信噪比低、光子總額少、空間時間相干性差等應用瓶頸。中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)光物理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，在該領域取得過系列進展：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簇作用，將光子產(chǎn)額提高一個量級并系統(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射線源實際應用的關鍵一步。
激光驅動的超快硬X射線源除了內殼層電離的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。該研究團隊與上海交大張杰院士、盛政明教授團隊合作開展該輻射的研究。2013年在實驗中利用僅3TW的激光與氣體團簇相互作用，驅動了“激光直接加速”機制，實現(xiàn)了電荷量和波蕩振幅的增加，成功獲得40倍增強的電子回旋輻射[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，這是電子加速和輻射源的內秉矛盾。該團隊由于成果的創(chuàng)新性，連續(xù)申請美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室激光打靶發(fā)次獲得批準，利用美方的Callisto激光裝置，實驗結果克服了電子束和輻射源品質之間相互制約的瓶頸，在大幅提升輻射產(chǎn)額的基礎上實現(xiàn)了二者“同時獲得”的突破。 此項工作的創(chuàng)新性體現(xiàn)在實驗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能量的高品質單能電子束;第二群電子在空泡合并時注入能加速到更高的能量，同時它會經(jīng)歷由激光束斑震蕩誘導的共振，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力的驅使與空泡和激光束斑的震蕩形成共振，該團隊將它定義為“波蕩注入”。這種新機制使電子獲得了更高的能量、更大的電荷量和波蕩振幅。實驗中極大地提高了Betatron輻射的單發(fā)光子產(chǎn)額(5x108)，峰值亮度達1023phs/s/mm2/mrad2/(0.1% BW)量級。同時高品質電子束和輻射源的同時獲得，為物質科學等領域提供了飛秒時間分辨的全新“X射線泵浦-電子探針”這一重要的實驗手段。
這項進展發(fā)表在美國科學院院報[PNAS 111(16)， 5825-5830(2014)]上。本研究得到國家自然科學基金重點項目、科技部973A類項目、科技部國家重大儀器專項、863高技術研究計劃的支持。
圖1.實驗布局圖
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)和增強與第二群電子的加速緊密關聯(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而與第二群電子形成共振
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