飛秒脈沖強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用將產(chǎn)生硬X射線。激光X射線源具有超快的特點(diǎn)，非常適合對(duì)物質(zhì)進(jìn)行飛秒時(shí)間分辨的動(dòng)力學(xué)探針，具有在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和材料學(xué)方面極大的應(yīng)用前景。但現(xiàn)有的激光X射線源存在信噪比低、光子總額少、空間時(shí)間相干性差等應(yīng)用瓶頸。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室激光高能量密度物理研究組陳黎明研究員及所屬團(tuán)隊(duì)，在該領(lǐng)域取得過(guò)系列進(jìn)展：首先利用高對(duì)比度激光與固體靶作用產(chǎn)生了低本底、高轉(zhuǎn)換效率的Ka射線源【PRL.100，045004(2008)】；再采用飛秒脈沖與小尺寸氣體團(tuán)簇作用，將光子產(chǎn)額提高一個(gè)量級(jí)并系統(tǒng)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(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵一步。
 
　　激光驅(qū)動(dòng)的超快硬X射線源除了內(nèi)殼層電離的Ka輻射（發(fā)散度大、單色）外，還出現(xiàn)了電子回旋（betatron）輻射（發(fā)散度小、寬譜）。作為電子加速重要的“伴生”過(guò)程，該輻射的品質(zhì)由被加速電子的行為來(lái)決定。但由于電子加速過(guò)程中存在相互制約的矛盾，輻射的產(chǎn)額受到極大限制。該研究團(tuán)隊(duì)與上海交大張杰院士、盛政明教授團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)展該輻射的研究。2013年在實(shí)驗(yàn)中利用僅3TW的激光與氣體團(tuán)簇相互作用，驅(qū)動(dòng)了“激光直接加速”機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了電荷量和波蕩振幅的增加，成功獲得40倍增強(qiáng)的電子回旋輻射【Sci.Reports3，1912(2013)】。
 
　　由于電子回旋輻射來(lái)源于電子加速過(guò)程中的波蕩，要獲得高產(chǎn)額的輻射往往需要犧牲電子束的品質(zhì)，這是電子加速和輻射源的內(nèi)秉矛盾。該團(tuán)隊(duì)由于成果的創(chuàng)新性，連續(xù)申請(qǐng)美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室激光打靶發(fā)次獲得批準(zhǔn)，利用美方的Callisto激光裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果克服了電子束和輻射源品質(zhì)之間相互制約的瓶頸，在大幅提升輻射產(chǎn)額的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了二者“同時(shí)獲得”的突破。此項(xiàng)工作的創(chuàng)新性體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中利用尾波場(chǎng)電子加速過(guò)程中的兩次電子注入：第一群電子穩(wěn)定注入尾波場(chǎng)并加速形成GeV能量的高品質(zhì)單能電子束；第二群電子在空泡合并時(shí)注入能加速到更高的能量，同時(shí)它會(huì)經(jīng)歷由激光束斑震蕩誘導(dǎo)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復(fù)力的驅(qū)使與空泡和激光束斑的震蕩形成共振，該團(tuán)隊(duì)將它定義為“波蕩注入”。這種新機(jī)制使電子獲得了更高的能量、更大的電荷量和波蕩振幅。實(shí)驗(yàn)中極大地提高了Betatron輻射的單發(fā)光子產(chǎn)額（5x108），峰值亮度達(dá)1023phs/s/mm2/mrad2/(0.1%BW)量級(jí)。高品質(zhì)電子束和輻射源的同時(shí)獲得，為物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域提供了飛秒時(shí)間分辨的全新“X射線泵浦-電子探針”這一重要的實(shí)驗(yàn)手段。
 
　　這項(xiàng)進(jìn)展發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》【PNAS111(16)，5825-5830(2014)】上。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部“973”A類項(xiàng)目、科技部國(guó)家重大儀器專項(xiàng)、“863”高技術(shù)研究計(jì)劃的支持。
 
　　論文信息：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. 

圖1.實(shí)驗(yàn)布局圖
 

 
圖2.隨著等離子體通道的增長(zhǎng)產(chǎn)生了兩群電子。第一群為單能電子束，而輻射的出現(xiàn)和增強(qiáng)與第二群電子的加速緊密關(guān)聯(lián)。
 
　

　
圖3.模擬顯示兩次注入過(guò)程并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(jìn)而與第二群電子形成共振