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超强激光科学卓越创新简报

(第六百四十五期)

2025年5月20日

上海光机所在多等离子体通道中实现可控Betatron辐射

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研究团队提出了一种基于双激光脉冲干涉的新型高亮度X射线源产生方案。该团队利用两束相对论强度飞秒激光在近临界密度等离子体中的干涉效应，成功诱导出多等离子体通道，显著提升了Betatron辐射的转换效率。相关成果以“Controlled Betatron radiation from high-charge electron beams in multiple plasma channels”为题，发表于Optics Express。

飞秒级高亮度X射线在生物成像、医学诊断、材料科学及核物理等领域具有重要应用。传统同步辐射光源和X射线自由电子激光（XFEL）设施虽能产生高强度X射线，但面临建设成本高、设备庞大等挑战。近年来，基于激光等离子体相互作用的新型辐射源因具备紧凑、高效、可调谐等优势，成为研究热点。其中，Betatron辐射因其高亮度、低激光能量需求等特点备受关注。然而，现在的Betatron辐射源仍然在电子能量、光子产额等方面亟待发展。

研究团队通过三维粒子模拟（3D-PIC）发现，当两束相对论强度飞秒激光以特定角度斜入射至近临界密度等离子体时，其横向干涉场会形成周期性驻波，进而产生空间分布均匀的多等离子体通道。相较于单激光束形成的单一通道，多通道结构显著增强了电子捕获效率与振荡幅度。模拟结果显示，两束56 J的飞秒激光在入射角为5°时，超过0.8μC的电子被加速至300 MeV，并产生峰值通量达5.8×108photons/0.1%BW的X射线谱。此方案生成的光子数较单激光方案提升近一倍，且辐射频谱特性可通过激光参数灵活调控。该成果首次揭示了双激光干涉诱导多等离子体通道的物理机制，为开发高效率、小型化X射线源提供了理论和实验基础。在生物显微成像、材料动态分析等领域具有广阔应用前景。

该工作得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家重点实验室项目、中国科学院青年创新促进会的支持。

原文链接

图1. 等离子体多通道Betatron振荡产生的示意图

图2.等离子体多通道Betatron振荡的时空演化图，(a)和(b)为92fs和184fs时的归一化激光振幅aL、(c)和(d)为92fs和184fs时的电子密度分布。

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