圖 1 極紫外高次諧波增強原理示意圖

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強激光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室賓建輝研究團(tuán)隊聯(lián)合張江實驗室曾志男、鄭穎輝研究團(tuán)隊，在極紫外輻射增強研究方面取得重要突破。相關(guān)研究成果以“Robust enhancement of extreme ultraviolet radiation via transient electrostatic field induced by electron nanobunches from double nanofoils”為題，發(fā)表于Optics Express。

相對論激光強度下的電子動力學(xué)研究備受關(guān)注，而高強度極紫外高次諧波更是該領(lǐng)域的核心追求目標(biāo)。極紫外高次諧波作為阿秒科學(xué)的重要支撐，在原子物理、超快動力學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但其亮度和光子能量提升一直面臨技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)增強方案往往對激光對比度、脈沖持續(xù)時間等參數(shù)有嚴(yán)格要求，限制了其實際應(yīng)用范圍。

針對這一問題，研究團(tuán)隊首次提出并實驗驗證了一種新型極紫外輻射增強方案——利用相對論強度激光照射雙層納米薄膜靶，通過第一層靶產(chǎn)生的電子納米束誘導(dǎo)瞬態(tài)靜電場，實現(xiàn)透射方向極紫外高次諧波的穩(wěn)健增強。該方案的核心物理機(jī)制在于：激光照射雙層納米靶時，第一層靶的電子被激光以納米束形式周期性吹出，同時產(chǎn)生較強的瞬態(tài)靜電場;該靜電場作用于第二層靶，促使第二層靶形成空間局域性更好、密度更高的電子束，進(jìn)而優(yōu)化相干同步輻射(Coherent synchrotron emission, CSE)過程，最終實現(xiàn)極紫外輻射的顯著增強。

為驗證該方案的可行性，研究團(tuán)隊開展了系統(tǒng)的理論模擬和實驗研究。采用一維和二維粒子模擬(Particle-in-cell，PIC)方法，驗證了瞬態(tài)靜電場對電子束壓縮及諧波增強的作用機(jī)制，模擬結(jié)果顯示，雙層納米靶方案在高次諧波區(qū)域呈現(xiàn)更平緩的強度衰減特性，與相干同步輻射機(jī)制的預(yù)期高度一致。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊利用上海光機(jī)所200太瓦級/1赫茲激光裝置進(jìn)行了相關(guān)實驗，實驗結(jié)果表明，只需將激光聚焦在兩靶之間，無需刻意優(yōu)化激光對比度和脈沖持續(xù)時間，即可實現(xiàn)諧波輻射強度一個數(shù)量級以上的增強，且雙層納米靶間距可擴(kuò)展至約32微米甚至更長，實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果高度吻合。

圖 2 雙層靶與單層靶實驗結(jié)果對比

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該方案具有極強的穩(wěn)健性：在激光脈沖持續(xù)時間從30 fs變化至300 fs的情況下，諧波輻射強度變化不敏感;而激光聚焦位置對增強效果有顯著影響，聚焦于兩靶之間時可獲得最優(yōu)增強效果。該方案突破了傳統(tǒng)相干同步輻射增強對激光參數(shù)要求苛刻的局限，為相對論激光強度下等離子體誘導(dǎo)電子動力學(xué)研究提供了新視角，也為實現(xiàn)極紫外高次諧波的高效增強提供了一種實用、穩(wěn)健的新方法。該研究不僅深化了對強激光與等離子體相互作用機(jī)制的理解，還推動了極紫外輻射光源的實用化進(jìn)程。

相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2024YFA1612102)、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年科學(xué)家項目(YSBR-060)等項目的支持。

審核編輯 黃宇