飞秒脉冲强激光与物质相互作用将产生硬X射线。 激光X射线源具有超快的特点，非常适合对物质进行飞秒时间分辨的动力学探针，具有在医学、生物学和材料学方面极大的应用前景。 但现有的激光X射线源存在信噪比低、光子总额少、空间时间相干性差等应用瓶颈。物理所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理重点实验室激光高能量密度物理研究组陈黎明研究员及所属团队，在该领域取得过系列进展：首先利用高对比度激光与固体靶作用产生了低本底、高转换效率的Ka射线源【PRL. 100, 045004 (2008)】； 再采用飞秒脉冲与小尺寸气体团簇作用，将光子产额提高一个量级并系统地克服了激光Ka辐射源的不利因素【PRL. 104, 215004(2010)】。迈出了激光X射线源实际应用的关键一步。
　　激光驱动的超快硬X射线源除了内壳层电离的Ka辐射（发散度大、单色）外，还出现了电子回旋（betatron）辐射（发散度小、宽谱）。作为电子加速重要的“伴生”过程，该辐射的品质由被加速电子的行为来决定。但由于电子加速过程中存在相互制约的矛盾，辐射的产额受到极大限制。该研究团队与上海交大张杰院士、盛政明教授团队合作开展该辐射的研究。2013年在实验中利用仅3TW的激光与气体团簇相互作用，驱动了“激光直接加速”机制，实现了电荷量和波荡振幅的增加，成功获得40倍增强的电子回旋辐射【Sci.Reports 3,1912(2013)】。
　　由于电子回旋辐射来源于电子加速过程中的波荡，要获得高产额的辐射往往需要牺牲电子束的品质，这是电子加速和辐射源的内秉矛盾。该团队由于成果的创新性，连续申请美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室激光打靶发次获得批准，利用美方的Callisto激光装置，实验结果克服了电子束和辐射源品质之间相互制约的瓶颈，在大幅提升辐射产额的基础上实现了二者“同时获得”的突破。 此项工作的创新性体现在实验中利用尾波场电子加速过程中的两次电子注入：第一群电子稳定注入尾波场并加速形成GeV能量的高品质单能电子束；第二群电子在空泡合并时注入能加速到更高的能量，同时它会经历由激光束斑震荡诱导的共振，即激光束斑的周期性震荡引起空泡的波荡、注入的电子束受静电回复力的驱使与空泡和激光束斑的震荡形成共振，该团队将它定义为“波荡注入”。这种新机制使电子获得了更高的能量、更大的电荷量和波荡振幅。实验中极大地提高了Betatron辐射的单发光子产额（5x10⁸），峰值亮度达10²³phs/s/mm²/mrad²/(0.1% BW)量级。同时高品质电子束和辐射源的同时获得，为物质科学等领域提供了飞秒时间分辨的全新“X射线泵浦-电子探针”这一重要的实验手段。
　　这项进展发表在美国科学院院报【PNAS 111(16), 5825-5830(2014)】上。本研究得到国家自然科学基金重点项目、科技部973A类项目、科技部国家重大仪器专项、863高技术研究计划的支持。

图1.实验布局图

图2.随着等离子体通道的增长产生了两群电子。第一群为单能电子束，而辐射的出现和增强与第二群电子的加速紧密关联

图3.模拟显示两次注入过程并且第二次注入具有更大的电荷量、波荡幅度和加速能量

图4.模拟显示激光束斑的周期性震荡引起空泡的波荡进而与第二群电子形成共振

相关链接：
Wenchao Yan, Liming Chen*, Dazhang Li, Lu Zhang, Nasr A. M. Hafz, James Dunn, Yong Ma, Kai Huang, Luning Su, Min Chen, Zhengming Sheng, and Jie Zhang*,
“Concurrence of monoenergetic electron beams and bright X-rays from an evolving laser-plasma bubble”,
PNAS 2014, 111 (16) 5825-5830; published ahead of print April 7, 2014
http://www.pnas.org/content/111/16/5825.full.pdf+html