圖 1 極紫外高次諧波增強(qiáng)原理示意圖

近期，中國科學(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)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室賓建輝研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合張江實(shí)驗(yàn)室曾志男、鄭穎輝研究團(tuán)隊(duì)，在極紫外輻射增強(qiáng)研究方面取得重要突破。相關(guān)研究成果以“Robust enhancement of extreme ultraviolet radiation via transient electrostatic field induced by electron nanobunches from double nanofoils”為題，發(fā)表于Optics Express。

相對論激光強(qiáng)度下的電子動(dòng)力學(xué)研究備受關(guān)注，而高強(qiáng)度極紫外高次諧波更是該領(lǐng)域的核心追求目標(biāo)。極紫外高次諧波作為阿秒科學(xué)的重要支撐，在原子物理、超快動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但其亮度和光子能量提升一直面臨技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)增強(qiáng)方案往往對激光對比度、脈沖持續(xù)時(shí)間等參數(shù)有嚴(yán)格要求，限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍。

針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新型極紫外輻射增強(qiáng)方案——利用相對論強(qiáng)度激光照射雙層納米薄膜靶，通過第一層靶產(chǎn)生的電子納米束誘導(dǎo)瞬態(tài)靜電場，實(shí)現(xiàn)透射方向極紫外高次諧波的穩(wěn)健增強(qiáng)。該方案的核心物理機(jī)制在于：激光照射雙層納米靶時(shí)，第一層靶的電子被激光以納米束形式周期性吹出，同時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的瞬態(tài)靜電場;該靜電場作用于第二層靶，促使第二層靶形成空間局域性更好、密度更高的電子束，進(jìn)而優(yōu)化相干同步輻射(Coherent synchrotron emission, CSE)過程，最終實(shí)現(xiàn)極紫外輻射的顯著增強(qiáng)。

為驗(yàn)證該方案的可行性，研究團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)的理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究。采用一維和二維粒子模擬(Particle-in-cell，PIC)方法，驗(yàn)證了瞬態(tài)靜電場對電子束壓縮及諧波增強(qiáng)的作用機(jī)制，模擬結(jié)果顯示，雙層納米靶方案在高次諧波區(qū)域呈現(xiàn)更平緩的強(qiáng)度衰減特性，與相干同步輻射機(jī)制的預(yù)期高度一致。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用上海光機(jī)所200太瓦級/1赫茲激光裝置進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只需將激光聚焦在兩靶之間，無需刻意優(yōu)化激光對比度和脈沖持續(xù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)諧波輻射強(qiáng)度一個(gè)數(shù)量級以上的增強(qiáng)，且雙層納米靶間距可擴(kuò)展至約32微米甚至更長，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果高度吻合。

圖 2 雙層靶與單層靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該方案具有極強(qiáng)的穩(wěn)健性：在激光脈沖持續(xù)時(shí)間從30 fs變化至300 fs的情況下，諧波輻射強(qiáng)度變化不敏感;而激光聚焦位置對增強(qiáng)效果有顯著影響，聚焦于兩靶之間時(shí)可獲得最優(yōu)增強(qiáng)效果。該方案突破了傳統(tǒng)相干同步輻射增強(qiáng)對激光參數(shù)要求苛刻的局限，為相對論激光強(qiáng)度下等離子體誘導(dǎo)電子動(dòng)力學(xué)研究提供了新視角，也為實(shí)現(xiàn)極紫外高次諧波的高效增強(qiáng)提供了一種實(shí)用、穩(wěn)健的新方法。該研究不僅深化了對強(qiáng)激光與等離子體相互作用機(jī)制的理解，還推動(dòng)了極紫外輻射光源的實(shí)用化進(jìn)程。

相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2024YFA1612102)、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年科學(xué)家項(xiàng)目(YSBR-060)等項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇