中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室(籌)光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)展。研究成果發(fā)表在Physical Review Letters 104, 215004(2010)上。

　　飛秒脈沖強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用時，產(chǎn)生的超熱電子通過K殼層電離輻射和軔致輻射產(chǎn)生硬X射線。由于此種X射線源在理論上具超快的特點(diǎn)，非常適合對物質(zhì)進(jìn)行飛秒時間分辨的動力學(xué)探針，加上其微小的X射線發(fā)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(yīng)用價值的補(bǔ)充光源，具有在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和材料學(xué)等方面的極大的應(yīng)用前景，因此成為國際上相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

　　但是實(shí)際應(yīng)用中現(xiàn)有的激光X射線源都表現(xiàn)出信噪比差等缺點(diǎn)，造成能實(shí)際利用的K光子總額較少，大量的能量包含在連續(xù)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(fù)多次震蕩或長程輸運(yùn)和碰撞，使產(chǎn)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(xué)和材料學(xué)中的應(yīng)用受到極大限制，基于激光的硬X射線源的實(shí)際應(yīng)用價值大打折扣。因此，如何有效控制和優(yōu)化激光硬X射線的產(chǎn)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(chǎn)生了低本底、高轉(zhuǎn)換效率的Ka射線源【Physical Review Letters 100, 045004(2008)】之后, 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射線源，采用了高對比度的飛秒激光脈沖與小尺寸氣體團(tuán)簇相互作用。這項(xiàng)工作是基于前期的實(shí)驗(yàn)觀察【Applied Physics Letters 90, 211501(2007)】之上的，最新的結(jié)果將光子產(chǎn)額有提高了一個量級。

　　目前國際上利用團(tuán)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(qiáng)的預(yù)脈沖，為保持團(tuán)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(tuán)簇。這樣，在團(tuán)簇中產(chǎn)生的超熱電子在團(tuán)簇中多次碰撞產(chǎn)生大量的連續(xù)本底，并且由于大尺度團(tuán)簇膨脹的整體不均勻性，使K殼層X射線的能量轉(zhuǎn)換效率很低(～10-6)。最新研究在實(shí)驗(yàn)中利用了高對比度的激光防止了團(tuán)簇的先期膨脹，再利用激光強(qiáng)電場驅(qū)動納米級尺寸的團(tuán)簇在相互作用中的非線性共振機(jī)制，這種機(jī)制的特點(diǎn)是團(tuán)簇電子只在激光電場和電荷分離場的共同作用下運(yùn)動，這些電子的共振將只在脈沖的前幾個周期內(nèi)激發(fā)，激光脈沖過后電子能量迅速消失，所產(chǎn)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(tuán)簇碰撞，不會產(chǎn)生高能軔致輻射本底;另外，研究人員還在實(shí)驗(yàn)中成功地實(shí)現(xiàn)了團(tuán)簇的非線性共振和線性共振加熱之間的相互轉(zhuǎn)換，得到清晰的相互作用物理圖像。

　　由于他們在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)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(lǐng)域的發(fā)展并確立基于激光的X射線源在超快研究中真正的實(shí)際應(yīng)用價值和地位。

　　本項(xiàng)目得到中科院、國家自然科學(xué)基金、973國家基礎(chǔ)研究計(jì)劃和863高技術(shù)研究計(jì)劃的支持。