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        中科院物理研究所利用高對比度飛秒激光產生超強極短X射線源

        作者:中科院物理研究所        發布于:2010-06-10

          中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)光物理重點實驗室張杰研究組的陳黎明研究員等,與日本原子力研究所合作在激光硬X射線源研究方面取得重要進展。研究成果發表在Physical Review Letters 104, 215004(2010)上。

          飛秒脈沖強激光與靶物質相互作用時,產生的超熱電子通過K殼層電離輻射和軔致輻射產生硬X射線。由于此種X射線源在理論上具超快的特點,非常適合對物質進行飛秒時間分辨的動力學探針,加上其微小的X射線發射源尺寸,極低的建造成本,比擬甚至高于同步輻射源的源峰值亮度,成為第三代同步輻射光源之外的最具應用價值的補充光源,具有在醫學、生物學和材料學等方面的極大的應用前景,因此成為國際上相關領域研究熱點之一。

          但是實際應用中現有的激光X射線源都表現出信噪比差等缺點,造成能實際利用的K光子總額較少,大量的能量包含在連續的軔致輻射本底中,極大地降低了成像的對比度;同時由于電子在靶材料中反復多次震蕩或長程輸運和碰撞,使產生的X射線輻射的時間寬度都在皮秒甚至納秒量級,造成這些激光X射線源在原子分子學和材料學中的應用受到極大限制,基于激光的硬X射線源的實際應用價值大打折扣。因此,如何有效控制和優化激光硬X射線的產生效率、單色性和脈沖寬度是一個值得研究、亟待突破的課題。

          陳黎明研究員及其合作者繼利用高對比度激光與固體靶相互作用產生了低本底、高轉換效率的Ka射線源【Physical Review Letters 100, 045004(2008)】之后, 為了進一步提高上述各種參數以產生更強,單色性更好的X射線源,采用了高對比度的飛秒激光脈沖與小尺寸氣體團簇相互作用。這項工作是基于前期的實驗觀察【Applied Physics Letters 90, 211501(2007)】之上的,最新的結果將光子產額有提高了一個量級。

          目前國際上利用團簇的研究均普遍采用普通對比度的激光,由于這類激光脈沖有強的預脈沖,為保持團簇在主脈沖到來時依然具有能引起線性共振的臨界密度,往往采用大尺度的團簇。這樣,在團簇中產生的超熱電子在團簇中多次碰撞產生大量的連續本底,并且由于大尺度團簇膨脹的整體不均勻性,使K殼層X射線的能量轉換效率很低(~10-6)。最新研究在實驗中利用了高對比度的激光防止了團簇的先期膨脹,再利用激光強電場驅動納米級尺寸的團簇在相互作用中的非線性共振機制,這種機制的特點是團簇電子只在激光電場和電荷分離場的共同作用下運動,這些電子的共振將只在脈沖的前幾個周期內激發,激光脈沖過后電子能量迅速消失,所產生的X射線源具有10飛秒量級的時間分辨;同時,共振加熱的電子是和納米尺度的團簇碰撞,不會產生高能軔致輻射本底;另外,研究人員還在實驗中成功地實現了團簇的非線性共振和線性共振加熱之間的相互轉換,得到清晰的相互作用物理圖像。

          由于他們在實驗中產生了高信噪比、極短的K殼層X射線源,比較徹底地克服了前述激光X射線源的不利因素。這將極大地推動此領域的發展并確立基于激光的X射線源在超快研究中真正的實際應用價值和地位。

          本項目得到中科院、國家自然科學基金、973國家基礎研究計劃和863高技術研究計劃的支持。

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