日前，北京大學物理學院喬賓教授團隊與合作者在強激光驅動的超快光子束流-阿秒脈衝輻射研究方面取得了重要進展。
超快光子束流可通過對組成物質的原子、分子和電子等微觀粒子進行超高時空分辨率的測量和控制，實現對物質相關的物理、化學、生物、醫學等宏觀過程的理解、應用和控制。而時間尺度在10-18秒的阿秒光子束流，能夠對電子進行實時探測和控制，為人類認識微觀世界提供了全新手段，被認為是激光科學史上最重要的里程碑之一。世界先進國家都將阿秒科學列為未來10年激光科學最重要的發展方向。歐盟極端光學裝置ELI（Extreme Light Infrastructure）項目三大裝置之一，位於匈牙利的阿秒光脈衝源 （ELI-ALPS）研究中心首要任務就是為國際科學界用戶提供涵蓋相干極紫外（XUV）、X 射線以及阿秒脈衝的超快光子束流。北京大學牽頭擬申報建設的“十四五”國家重大科技基礎設施“激光驅動多束流”項目中也將超快光子束流平臺以及阿秒脈衝作為重要建設內容之一。
目前，阿秒脈衝輻射主要是利用低功率的弱激光驅動惰性氣體通過電離-加速-複合過程產生的高次諧波來獲得，但此種方式最大難題之一是由於離化閾值限制阿秒脈衝的亮度非常低。強激光與物質相互作用驅動產生高次諧波的方式是當前最有希望獲得高亮超快阿秒光源的手段之一，有可能將相干阿秒光源的強度推進至相對論參數區域，光譜頻率推進至X甚至伽瑪波段。喬賓教授團隊長期致力於強激光固體靶相互作用驅動阿秒X射線輻射源的研究，發展了國際先進的大規模並行數值模擬程序，並與中物院激光聚變研究中心合作在國際上率先在數拍瓦激光裝置上開展了阿秒脈衝輻射的實驗研究。此次他們從驅動激光控制和精密制靶兩個方面提出了強激光驅動產生高亮度孤立阿秒脈衝的物理和實驗方案。
圖1：雙色激光與納米薄靶相互作用產生孤立的高亮阿秒脈光的模型圖
在第一個工作中，他們與合作者提出了通過雙色激光與薄靶相互作用獲得孤立的高強度阿秒輻射脈衝光的新方案。研究發現當將雙色光的的基頻光成份和二倍頻光成份的相位差控制為π、能量佔比控制為0.1時，納米靶中電子可在一個週期內被全部推出靶外，形成高密高能的納米電子層，發生強相干同步輻射，不僅可同時在反射和透射方向產生孤立的阿秒脈衝光，而且脈衝強度是單色光作用下的近40倍。該工作近期以”Giant Isolated Attosecond Pulses from Two-Color Laser-Plasma Interactions”為題發表於《物理評論快報》[Physical Review Letters 124, 114802 (2020)]，物理學院博士生張玉雪為論文第一作者。
圖 2：強激光驅動電容器靶產生百太瓦孤立阿秒脈衝方案的原理和實驗設計示意圖
在第二個工作中，他們提出了利用強激光和納米電容器靶相互作用的創新物理方案。此方案中，當激光強度達到最大時，前靶電子被推向後靶，電容器快速完成充電，激光能量以靜電能的形式存儲在電容器靶中；後靶電子在激光電場和電容電場的雙重加速下達到相對論能量，並被有效壓縮至亞納米寬度，實現keV波段的超寬頻相干同步輻射；電容器完成放電後，相干諧波輻射過程也隨之終止，實現了百太瓦級、X射線波段、數個阿秒寬度的孤立脈衝輻射。該工作近期在Optica[Optica 7, 355 (2020)]雜誌發表論文“Production of 100-Terawatt single attosecond X-ray pulse”。物理學院博士生徐新榮為論文第一作者。
以上研究工作得到了國家自然科學基金委重點基金、傑出青年基金、挑戰計劃、國家重點研發計劃和國防科技大學學校科研計劃項目的大力支撐。（來源：北大新聞網）
