圖1. 等離子體多通道Betatron振蕩產(chǎn)生的示意圖

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室研究團隊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。該團隊利用兩束相對論強度飛秒激光在近臨界密度等離子體中的干涉效應，成功誘導出多等離子體通道，顯著提升了Betatron輻射的轉換效率。相關成果以“Controlled Betatron radiation from high-charge electron beams in multiple plasma channels”為題，發(fā)表于Optics Express。

飛秒級高亮度X射線在生物成像、醫(yī)學診斷、材料科學及核物理等領域具有重要應用。傳統(tǒng)同步輻射光源和X射線自由電子激光(XFEL)設施雖能產(chǎn)生高強度X射線，但面臨建設成本高、設備龐大等挑戰(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、可調諧等優(yōu)勢，成為研究熱點。其中，Betatron輻射因其高亮度、低激光能量需求等特點備受關注。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振蕩的時空演化圖，(a)和(b)為92fs和184fs時的歸一化激光振幅aL、(c)和(d)為92fs和184fs時的電子密度分布。

研究團隊通過三維粒子模擬(3D-PIC)發(fā)現(xiàn)，當兩束相對論強度飛秒激光以特定角度斜入射至近臨界密度等離子體時，其橫向干涉場會形成周期性駐波，進而產(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，多通道結構顯著增強了電子捕獲效率與振蕩幅度。模擬結果顯示，兩束56 J的飛秒激光在入射角為5°時，超過0.8μC的電子被加速至300 MeV，并產(chǎn)生峰值通量達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)靈活調控。該成果首次揭示了雙激光干涉誘導多等離子體通道的物理機制，為開發(fā)高效率、小型化X射線源提供了理論和實驗基礎。在生物顯微成像、材料動態(tài)分析等領域具有廣闊應用前景。

該工作得到了國家自然科學基金委員會、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊項目、國家重點實驗室項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進會的支持。

審核編輯 黃宇