圖1. 等離子體多通道Betatron振蕩產(chǎn)生的示意圖

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于雙激光脈沖干涉的新型高亮度X射線源產(chǎn)生方案。該團(tuán)隊(duì)利用兩束相對(duì)論強(qiáng)度飛秒激光在近臨界密度等離子體中的干涉效應(yīng)，成功誘導(dǎo)出多等離子體通道，顯著提升了Betatron輻射的轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)成果以“Controlled Betatron radiation from high-charge electron beams in multiple plasma channels”為題，發(fā)表于Optics Express。

飛秒級(jí)高亮度X射線在生物成像、醫(yī)學(xué)診斷、材料科學(xué)及核物理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)同步輻射光源和X射線自由電子激光(XFEL)設(shè)施雖能產(chǎn)生高強(qiáng)度X射線，但面臨建設(shè)成本高、設(shè)備龐大等挑戰(zhàn)。近年來，基于激光等離子體相互作用的新型輻射源因具備緊湊、高效、可調(diào)諧等優(yōu)勢(shì)，成為研究熱點(diǎn)。其中，Betatron輻射因其高亮度、低激光能量需求等特點(diǎn)備受關(guān)注。然而，現(xiàn)在的Betatron輻射源仍然在電子能量、光子產(chǎn)額等方面亟待發(fā)展。

圖2.等離子體多通道Betatron振蕩的時(shí)空演化圖，(a)和(b)為92fs和184fs時(shí)的歸一化激光振幅aL、(c)和(d)為92fs和184fs時(shí)的電子密度分布。

研究團(tuán)隊(duì)通過三維粒子模擬(3D-PIC)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩束相對(duì)論強(qiáng)度飛秒激光以特定角度斜入射至近臨界密度等離子體時(shí)，其橫向干涉場(chǎng)會(huì)形成周期性駐波，進(jìn)而產(chǎn)生空間分布均勻的多等離子體通道。相較于單激光束形成的單一通道，多通道結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了電子捕獲效率與振蕩幅度。模擬結(jié)果顯示，兩束56 J的飛秒激光在入射角為5°時(shí)，超過0.8μC的電子被加速至300 MeV，并產(chǎn)生峰值通量達(dá)5.8×108photons/0.1%BW的X射線譜。此方案生成的光子數(shù)較單激光方案提升近一倍，且輻射頻譜特性可通過激光參數(shù)靈活調(diào)控。該成果首次揭示了雙激光干涉誘導(dǎo)多等離子體通道的物理機(jī)制，為開發(fā)高效率、小型化X射線源提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在生物顯微成像、材料動(dòng)態(tài)分析等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。

審核編輯 黃宇