近日，北京大学物理学院的马文君教授课题组通过研究相对论激光与百纳米厚固体薄膜靶相互作用产生的相干辐射的远场强度分布特征，首次发现远场图案对激光光强及其分布存在强烈依赖关系。利用这种依赖关系，他们实现了对实验中到靶激光光强和焦斑大小的原位实时诊断。相关研究成果以“Diagnosis of Focal Spots at Relativistic Intensity Utilizing Coherent Radiation from Laser-driven Flying Electron Sheets”为题，发表于《Matter and Radiation at Extremes》，被评为“特色论文(Featured Article)”，并被美国物理联合会旗下的《Scilight》杂志专题报道。
高功率激光技术在强场电动力学、实验室天体物理和激光核物理等领域具有重要的应用前景。近年来，随着激光技术的不断发展，实验上报道的最高聚焦光强已达到1023W/cm2。然而，诊断如此高强度的激光焦点一直面临巨大挑战，因为任何在焦点曝光的探测器都会被破坏。传统方法通常对衰减到探测器工作区间的激光前端弱光进行诊断，但这种方法在高光强下受到激光指向抖动、热透镜效应等非线性因素的显著影响，导致弱光焦点与强光焦点可能存在显著差异。
为了诊断强光下的激光焦点，人们通过收集并分析激光与物质相互作用中产生的各种产物，解读其中携带的信息，来推断高功率下的焦点峰值光强和光强分布。现有的诊断方法主要集中在收集并分析激光与气体或电子束相互作用产生的散射光、散射电子和散射离子。此外，还可以利用场致电离或量子电动力学效应。这些方法主要基于单粒子与光场的相互作用，需避免等离子体的集体效应影响，因此对靶的密度条件提出了严格要求，例如需选用稀疏气体作为靶材。这使得焦点的空间分辨受到很大限制，超过激光的瑞利长度，对诊断紧聚焦激光尤为不利。
马文君课题组的研究人员通过研究相对论激光与纳米薄膜靶的相互作用，首次发现相干辐射的远场图案对激光焦点强度和分布具有强烈的依赖关系。当相对论激光照射到固体薄膜靶上时，激光迅速将薄膜前表面的材料电离成等离子体，并将大量电子周期性地以致密薄片的形式加速到接近光速。这些相对论飞行电子片穿过薄膜，并在薄膜后表面产生相干渡越辐射。这种辐射的远场强度分布主要取决于电子片的空间和动量分布，进而与激光的峰值光强和光强分布密切相关。该物理过程示意图如图1所示。
图1相对论激光辐照固体薄膜靶产生相对论飞行电子片，电子片穿越薄膜并在靶后产生相干辐射。在激光焦点光强为理想高斯分布时，辐射的远场强度分布呈圆环状。
在这项研究中，研究人员开展了相对论激光与百纳米厚薄膜靶的相互作用实验，分析了靶背方向二倍频相干辐射的远场图案特征，并观察到在多种不同靶材和厚度参数下，二倍频的远场分布均呈圆环状。进一步，研究人员基于相干渡越辐射理论，解析研究了辐射远场图案对电子片参数的依赖关系。结合数值模拟，研究人员系统地探索了二倍频远场图案的发散角对靶上激光峰值光强和焦斑大小的依赖关系。利用这些关系，研究人员诊断了实验中使用的相对论激光的到靶峰值光强和焦斑大小。
该诊断方法实施简便，仅需一块散射屏及装配了带通滤波片的普通工业相机。这一优势使得该诊断方案能够迅速应用于其他高功率激光系统，从而助力激光与物质相互作用的实验研究。在未来的研究中，研究人员将结合计算光学与人工智能技术，进一步发展和完善该诊断方法。
北京大学物理学院博士研究生徐诗睿为论文第一作者，马文君、高营、赵家瑞为共同通讯作者。
原文链接：Shirui Xu, Zhuo Pan, Ying Gao, Jiarui Zhao, Shiyou Chen, Zhusong Mei, Xun Chen, Ziyang Peng, Xuan Liu, Yulan Liang, Tianqi Xu, Tan Song, Qingfan Wu, Yujia Zhang, Zhipeng Liu, Zihao Zhang, Haoran Chen, Qihang Han, Jundong Shen, Chenghao Hua, Kun Zhu, Yanying Zhao, Chen Lin, Xueqing Yan, Wenjun Ma;Diagnosis of focal spots at relativistic intensity utilizing coherent radiation from laser-driven flying electron sheets.Matter Radiat. Extremes10, 027202 (2025).https://doi.org/10.1063/5.0255211
Scilight报道：Alane Lim;Cost-effective technique could shed light on the effects of ultraintense laser pulses in extreme environments.Scilight 2025, 071101 (2025).https://doi.org/10.1063/10.0035932
