日前，北京大学物理学院乔宾教授团队与合作者在Optica[Optica 7, 355 (2020)]杂志发表论文“Production of 100-Terawatt single attosecond X-ray pulse”，提出了利用强激光产生百太瓦孤立阿秒脉冲的创新方案。
超快光子束流可通过对组成物质的原子、分子和电子等微观粒子进行超高时空分辨率的测量和控制，实现对物质相关的物理、化学和生物医学等宏观过程的理解、应用和控制。时间尺度在10-18秒的阿秒光子束流，能够对电子进行实时探测和控制，为人类认识微观世界提供了全新手段，被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一。世界先进国家都将阿秒科学列为未来10年激光科学最重要的发展方向。欧盟极端光学装置ELI(Extreme Light Infrastructure)项目三大装置之一，位于匈牙利的阿秒光脉冲源(ELI-ALPS)研究中心的首要任务就是为国际科学界用户提供涵盖相干极紫外(XUV)、X射线和阿秒脉冲的超快光子束流。
利用强激光与物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一。在强激光与固体密度等离子体的相互作用中，由于两者之间的能量耦合效率较低，谐波辐射以低效率的相对论振荡镜（Relativistic Oscillating Mirror, ROM）机制为主，难以产生高能的孤立纳米电子层进行更高效率的相干同步辐射(Coherent Synchrotron Emission, CSE)。北京大学乔宾教授与合作者提出了利用强激光和纳米电容器靶相互作用的创新物理方案。在这一方案中，电容器靶的前靶可有效反射激光上升沿的低强度和预脉冲部分；当激光强度达到最大时，前靶电子被推向后靶，电容器快速完成充电，激光能量以静电能的形式存储在电容器靶中；后靶电子在激光电场和电容电场的双重加速下达到相对论能量，并被有效压缩至亚纳米宽度，实现keV波段的超宽频CSE辐射；半个周期内电容器放电结束，相干谐波辐射终止。这样，通过电容器靶不仅有效实现了CSE谐波辐射，同时也将谐波辐射过程有效限制在半个激光周期内，实现了百太瓦级、X射线波段、数个阿秒宽度的孤立脉冲辐射。OPTICA审稿人对该方案的创新性给予了高度评价。
图1：强激光驱动电容器靶产生百太瓦孤立阿秒脉冲新方案原理示意图
北京大学乔宾教授团队博士研究生徐新荣为该文第一作者，乔宾教授为通信作者，北京应用物理与计算数学研究所的朱少平研究员为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委重点基金、杰出青年基金、挑战计划、国家重点研发计划和国防科技大学学校科研计划项目的大力支撑。
论文链接:https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-4-355
