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中科院物理研究所利用高对比度飞秒激光产生超强极短X射线源

作者:中科院物理研究所        发布于:2010-06-10

  中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理重点实验室张杰研究组的陈黎明研究员等,与日本原子力研究所合作在激光硬X射线源研究方面取得重要进展。研究成果发表在Physical Review Letters 104, 215004(2010)上。

  飞秒脉冲强激光与靶物质相互作用时,产生的超热电子通过K壳层电离辐射和轫致辐射产生硬X射线。由于此种X射线源在理论上具超快的特点,非常适合对物质进行飞秒时间分辨的动力学探针,加上其微小的X射线发射源尺寸,极低的建造成本,比拟甚至高于同步辐射源的源峰值亮度,成为第三代同步辐射光源之外的最具应用价值的补充光源,具有在医学、生物学和材料学等方面的极大的应用前景,因此成为国际上相关领域研究热点之一。

  但是实际应用中现有的激光X射线源都表现出信噪比差等缺点,造成能实际利用的K光子总额较少,大量的能量包含在连续的轫致辐射本底中,极大地降低了成像的对比度;同时由于电子在靶材料中反复多次震荡或长程输运和碰撞,使产生的X射线辐射的时间宽度都在皮秒甚至纳秒量级,造成这些激光X射线源在原子分子学和材料学中的应用受到极大限制,基于激光的硬X射线源的实际应用价值大打折扣。因此,如何有效控制和优化激光硬X射线的产生效率、单色性和脉冲宽度是一个值得研究、亟待突破的课题。

  陈黎明研究员及其合作者继利用高对比度激光与固体靶相互作用产生了低本底、高转换效率的Ka射线源【Physical Review Letters 100, 045004(2008)】之后, 为了进一步提高上述各种参数以产生更强,单色性更好的X射线源,采用了高对比度的飞秒激光脉冲与小尺寸气体团簇相互作用。这项工作是基于前期的实验观察【Applied Physics Letters 90, 211501(2007)】之上的,最新的结果将光子产额有提高了一个量级。

  目前国际上利用团簇的研究均普遍采用普通对比度的激光,由于这类激光脉冲有强的预脉冲,为保持团簇在主脉冲到来时依然具有能引起线性共振的临界密度,往往采用大尺度的团簇。这样,在团簇中产生的超热电子在团簇中多次碰撞产生大量的连续本底,并且由于大尺度团簇膨胀的整体不均匀性,使K壳层X射线的能量转换效率很低(~10-6)。最新研究在实验中利用了高对比度的激光防止了团簇的先期膨胀,再利用激光强电场驱动纳米级尺寸的团簇在相互作用中的非线性共振机制,这种机制的特点是团簇电子只在激光电场和电荷分离场的共同作用下运动,这些电子的共振将只在脉冲的前几个周期内激发,激光脉冲过后电子能量迅速消失,所产生的X射线源具有10飞秒量级的时间分辨;同时,共振加热的电子是和纳米尺度的团簇碰撞,不会产生高能轫致辐射本底;另外,研究人员还在实验中成功地实现了团簇的非线性共振和线性共振加热之间的相互转换,得到清晰的相互作用物理图像。

  由于他们在实验中产生了高信噪比、极短的K壳层X射线源,比较彻底地克服了前述激光X射线源的不利因素。这将极大地推动此领域的发展并确立基于激光的X射线源在超快研究中真正的实际应用价值和地位。

  本项目得到中科院、国家自然科学基金、973国家基础研究计划和863高技术研究计划的支持。

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