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超强激光科学卓越创新简报

(第六百二十期)

2025年3月21日

上海光机所在极紫外到X射线宽带调谐辐射源产生机理研究方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室与伯克利实验室陈强研究员合作，在基于微型磁场阵列产生极紫外到X射线的超宽带调谐辐射源研究方面取得新进展。相关研究成果以 “Ultrabroadband ultraviolet to x-ray radiation from microscale magnetic field arrays” 为题发表在Physical Review Applied上。

同步辐射或自由电子激光产生的高亮度X射线源广泛应用于科学研究、工业生产等领域。为了降低同步辐射光源或自由电子光源的成本和占地面积，基于微尺度有序电磁场的微型波荡器提供了一种新的自由电子光源实现途径。例如，光子准粒子（如表面等离子体极化子）的强局域光场可用作短空间周期的微型波荡器。周期性纳米线阵列或纳米结构具有近场增强的效果，可以使自由电子做波荡运动，从而提高辐射效率。然而，尽管取得了这些进展，纳米结构加工和近场稳定性控制等技术难题仍然是开发紧凑型辐射源的挑战。等离子体中的Weibel不稳定性可诱导产生具有周期结构的强磁场阵列，这在构建新型辐射源方面具有巨大潜力。

研究团队提出了一种基于Weibel不稳定性产生强磁场阵列诱导电子辐射的新型超宽带EUV-X光源。理论分析了在成丝和双流不稳定性竞争下形成稳定电流丝的条件，其中成丝不稳定性可以产生强的自组织磁场，进而约束大多数电子在电流丝中沿螺旋轨迹运动。研究发现磁场的增长速度、强度和稳定尺寸受到电子束密度的调节，进而影响辐射的分布和亮度。研究团队建立了相应的理论模型，通过控制入射电子的能量和密度参数实现了从EUV到X射线的超宽带调谐的辐射源，其中峰值亮度可达5×1022光子/(秒·平方毫米·平方毫弧度·0.1%带宽)。这种EUV到X射线的超宽带辐射源不仅是现有技术的升级，更是推动多学科突破的关键工具。其应用从微观的电子运动观测等科学研究到工业创新等需求，未来在可调谐性、脉冲速度及光源强度上的进步将进一步拓展其应用边界。

相关工作得到国家自然科学基金、基础研究特区计划、中国科学院青年创新促进会等项目支持。

原文链接

图1. 电子束传播的密度分布和轨迹。蓝色实线和橙色实线表示电子空间轨迹，虚线表示纵向投影。(10fs) 处的横向和纵向密度分布显示了成丝和双流不稳定性的影响。

图2. (a) 电子能量γb=4,10,20和50时产生的光子亮度。(b) 电子密度nb=0.6nc,1nc和2nc时平均横向磁场强度。(c) 对应图（b）条件下的辐射能谱分布。

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