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(guó)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(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度。(c) 對(duì)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)，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(chǎng)的增長(zhǎng)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(guò)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(cè)等科學(xué)研究到工業(yè)創(chuàng)新等需求，未來(lái)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(guó)家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃、中國(guó)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