X射線(xiàn)是波長(zhǎng)介于紫外線(xiàn)和γ射線(xiàn) 間的電磁輻射，波長(zhǎng)很短，約為（20～0.06）×10-8厘米之間，具有很高的穿透本領(lǐng)，能透過(guò)許多對(duì)可見(jiàn)光不透明的物質(zhì)，如墨紙、木料等。而隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，激光X射線(xiàn)源開(kāi)始出現(xiàn)在科學(xué)領(lǐng)域的研究范圍內(nèi)，但是由于各方面的限制，激光X射線(xiàn)的研究和應(yīng)用大大受阻，就在近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所傳來(lái)可喜消息，激光X射線(xiàn)研究有了新的進(jìn)展。

　  飛秒脈沖強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生的超熱電子通過(guò)K殼層電離輻射等方式產(chǎn)生硬X射線(xiàn)。 由于這種X射線(xiàn)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，加上其微米尺度的源尺寸、極低的成本和比擬甚至高于同步輻射源的源峰值亮度，具有在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和材料學(xué)等方面極大的應(yīng)用前景。但是現(xiàn)有的激光X射線(xiàn)源的信噪比低、光子總額少、時(shí)間寬度大、空間相干性差等不足，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到極大限制。

    中國(guó)科學(xué)院物理研究所光物理重點(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)，在激光X射線(xiàn)研究方面取得系列重要進(jìn)展：首先利用高對(duì)比度激光與固體靶相互作用產(chǎn)生了低本底、高轉(zhuǎn)換效率的Ka射線(xiàn)源[Phys. Rev. Lett. 100, 045004(2008)]； 然后為了進(jìn)一步提高上述各種參數(shù)以產(chǎn)生更強(qiáng)，單色性更好的X射線(xiàn)源，采用了高對(duì)比度的飛秒脈沖與小尺寸氣體團(tuán)簇相互作用，將光子產(chǎn)額有提高了一個(gè)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了單發(fā)脈沖無(wú)聚焦X射線(xiàn)成像，所產(chǎn)生的X射線(xiàn)源具有10飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨，比較徹底地克服了前述激光X射線(xiàn)源的不利因素[Phys. Rev. Lett. 104, 215004(2010)]。這些成果極大地推動(dòng)此領(lǐng)域的發(fā)展并確立基于激光的X射線(xiàn)源在超快研究中真正的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和地位，著名學(xué)者V. Malka將這些成果歸結(jié)為“第二代”Ka射線(xiàn)源。

    激光驅(qū)動(dòng)的超快硬X射線(xiàn)光源除了上述內(nèi)殼層電離產(chǎn)生的Kα單色源（發(fā)散度較大）外，近年國(guó)際上還出現(xiàn)了臺(tái)面Betatron輻射源（發(fā)散度小、寬譜）。它是由超強(qiáng)超短激光在低密度等離子體中激發(fā)尾波場(chǎng)，注入離子“空泡”中的電子在被縱向加速的同時(shí)會(huì)以等離子體尺度為周期進(jìn)行橫向的波蕩，從而產(chǎn)生類(lèi)似同步輻射的Betatron輻射。作為等離子體中電子加速重要的“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。但目前由于電子加速中能量和電荷量之間，以及電子品質(zhì)和波蕩幅度之間存在著相互制約的矛盾，使Betatron輻射的產(chǎn)額受到極大限制，國(guó)際上報(bào)道最好的研究組利用40TW激光產(chǎn)生了5x107/發(fā) [見(jiàn)：Nature Physics 6, 989(2010)]。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)展高度準(zhǔn)直的臺(tái)面Betatron輻射光源的研究。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中利用僅僅3TW的飛秒激光與氣體Ar團(tuán)簇相互作用，由于團(tuán)簇的介入激發(fā)了通常用PW裝置才能驅(qū)動(dòng)的“激光直接加速”（DLA）機(jī)制，在獲得nC量級(jí)大電荷量電子加速的基礎(chǔ)上，增大了電子的波蕩振幅，成功獲得超強(qiáng)的Betatron輻射。單發(fā)激光獲得能量2.4keV以上的X射線(xiàn)光子數(shù)大于2x108/發(fā)，且具有很小的空間發(fā)散角~10mrad。這個(gè)結(jié)果將目前報(bào)道最好的Betatron輻射的轉(zhuǎn)換效率提高了40倍，能利用小能量、高重頻激光器突破目前輻射源低平均流強(qiáng)的發(fā)展瓶頸。

    這項(xiàng)進(jìn)展發(fā)表在[L. M. Chen et al, Scientific Reports. 3, 1912(2013)]上，本研究得到科技部973A類(lèi)項(xiàng)目、科技部國(guó)家重大儀器專(zhuān)項(xiàng)、863高技術(shù)研究計(jì)劃以及國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

圖1.實(shí)驗(yàn)從團(tuán)簇(a)和氣體(b)獲得的Betatron輻射及能譜(c)

圖2.和氣體靶相比，團(tuán)簇更利于大電荷量的產(chǎn)生（50倍）

圖3.模擬顯示和氣體靶比較而言團(tuán)簇中有更多電子介入加速過(guò)程

圖4.模擬顯示團(tuán)簇使DLA機(jī)制得以激發(fā)，電子從橫向獲得能量和很大波蕩幅度，利于betatron輻射產(chǎn)額的提升

    中國(guó)科學(xué)院物理研究所成功將Betatron輻射的轉(zhuǎn)換效率提高了40倍，通過(guò)能小能量、高重頻激光器突破目前輻射源低平均流強(qiáng)的發(fā)展瓶頸，真正確立了基于激光的X射線(xiàn)源在超快研究中真正的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和地位。