飛秒脈衝(chong) 強激光與(yu) 物質相互作用將產(chan) 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，具有在醫學、生物學和材料學方麵極大的應用前景。 但現有的激光X射線源存在信噪比低、光子總額少、空間時間相幹性差等應用瓶頸。中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(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，在該領域取得過係列進展：首先利用高對比度激光與(yu) 固體(ti) 靶作用產(chan) 生了低本底、高轉換效率的Ka射線源[PRL. 100， 045004 (2008)]; 再采用飛秒脈衝(chong) 與(yu) 小尺寸氣體(ti) 團簇作用，將光子產(chan) 額提高一個(ge) 量級並係統地克服了激光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(guan) 鍵一步。

　　激光驅動的超快硬X射線源除了內(nei) 殼層電離的Ka輻射(發散度大、單色)外，還出現了電子回旋(betatron)輻射(發散度小、寬譜)。作為(wei) 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(wei) 來決(jue) 定。但由於(yu) 電子加速過程中存在相互製約的矛盾，輻射的產(chan) 額受到極大限製。該研究團隊與(yu) 上海交大張傑院士、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(jin) 3TW的激光與(yu) 氣體(ti) 團簇相互作用，驅動了“激光直接加速”機製，實現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)]。

　　由於(yu) 電子回旋輻射來源於(yu) 電子加速過程中的波蕩，要獲得高產(chan) 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(nei) 秉矛盾。該團隊由於(yu) 成果的創新性，連續申請美國勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室激光打靶發次獲得批準，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製約的瓶頸，在大幅提升輻射產(chan) 額的基礎上實現了二者“同時獲得”的突破。 此項工作的創新性體(ti) 現在實驗中利用尾波場電子加速過程中的兩(liang) 次電子注入：第一群電子穩定注入尾波場並加速形成GeV能量的高品質單能電子束;第二群電子在空泡合並時注入能加速到更高的能量，同時它會(hui) 經曆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複力的驅使與(yu) 空泡和激光束斑的震蕩形成共振，該團隊將它定義(yi) 為(wei) “波蕩注入”。這種新機製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輻射的單發光子產(chan) 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(wei) 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(yi) 器專(zhuan) 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(ti) 通道的增長產(chan) 生了兩(liang) 群電子。第一群為(wei) 單能電子束，而輻射的出現和增強與(yu) 第二群電子的加速緊密關(guan) 聯

圖3.模擬顯示兩(liang) 次注入過程並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(yu) 第二群電子形成共振