圖1. 電子束傳播的密度分布和軌跡。藍(lán)色實(shí)線和橙色實(shí)線表示電子空間軌跡，虛線表示縱向投影。6μm(10fs) 處的橫向和縱向密度分布顯示了成絲和雙流不穩(wěn)定性的影響。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與伯克利實(shí)驗(yàn)室陳強(qiáng)研究員合作，在基于微型磁場陣列產(chǎn)生極紫外到X射線的超寬帶調(diào)諧輻射源研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以 “Ultrabroadband ultraviolet to x-ray radiation from microscale magnetic field arrays” 為題發(fā)表在Physical Review Applied上。

同步輻射或自由電子激光產(chǎn)生的高亮度X射線源廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。為了降低同步輻射光源或自由電子光源的成本和占地面積，基于微尺度有序電磁場的微型波蕩器提供了一種新的自由電子光源實(shí)現(xiàn)途徑。例如，光子準(zhǔn)粒子(如表面等離子體極化子)的強(qiáng)局域光場可用作短空間周期的微型波蕩器。周期性納米線陣列或納米結(jié)構(gòu)具有近場增強(qiáng)的效果，可以使自由電子做波蕩運(yùn)動(dòng)，從而提高輻射效率。然而，盡管取得了這些進(jìn)展，納米結(jié)構(gòu)加工和近場穩(wěn)定性控制等技術(shù)難題仍然是開發(fā)緊湊型輻射源的挑戰(zhàn)。等離子體中的Weibel不穩(wěn)定性可誘導(dǎo)產(chǎn)生具有周期結(jié)構(gòu)的強(qiáng)磁場陣列，這在構(gòu)建新型輻射源方面具有巨大潛力。

圖2. (a) 電子能量γb=4,10,20和50時(shí)產(chǎn)生的光子亮度。(b) 電子密度nb=0.6nc,1nc和2nc時(shí)平均橫向磁場強(qiáng)度。(c) 對應(yīng)圖(b)條件下的輻射能譜分布。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于Weibel不穩(wěn)定性產(chǎn)生強(qiáng)磁場陣列誘導(dǎo)電子輻射的新型超寬帶EUV-X光源。理論分析了在成絲和雙流不穩(wěn)定性競爭下形成穩(wěn)定電流絲的條件，其中成絲不穩(wěn)定性可以產(chǎn)生強(qiáng)的自組織磁場，進(jìn)而約束大多數(shù)電子在電流絲中沿螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)磁場的增長速度、強(qiáng)度和穩(wěn)定尺寸受到電子束密度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響輻射的分布和亮度。研究團(tuán)隊(duì)建立了相應(yīng)的理論模型，通過控制入射電子的能量和密度參數(shù)實(shí)現(xiàn)了從EUV到X射線的超寬帶調(diào)諧的輻射源，其中峰值亮度可達(dá)5×1022光子/(秒·平方毫米·平方毫弧度·0.1%帶寬)。這種EUV到X射線的超寬帶輻射源不僅是現(xiàn)有技術(shù)的升級(jí)，更是推動(dòng)多學(xué)科突破的關(guān)鍵工具。其應(yīng)用從微觀的電子運(yùn)動(dòng)觀測等科學(xué)研究到工業(yè)創(chuàng)新等需求，未來在可調(diào)諧性、脈沖速度及光源強(qiáng)度上的進(jìn)步將進(jìn)一步拓展其應(yīng)用邊界。

相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目支持。

審核編輯 黃宇