飞秒脉冲强激光与物质相互作用产生的硬X射线具有超快的特点，非常适合对物质进行飞秒时间分辨的动力学探针，在医学、生物学和材料学方面极具应用前景。 激光驱动的超快硬X射线源中电子回旋（betatron）辐射由于具有极小的发射度而成为近年高能量密度物理的研究热点。作为电子加速重要的“伴生”过程，该辐射的品质由被加速电子的行为来决定。但由于电子加速过程中存在的内秉矛盾，辐射的产额受到极大限制。
　　中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理实验室高能量密度物理研究组 陈黎明研究员及其研究团队与上海交大张杰院士、盛政明教授团队合作。 2013年在实验中利用仅3TW的激光与气体团簇相互作用，驱动了“激光直接加速”机制，实现了电荷量和波荡振幅的增加，获得40倍增强的电子回旋辐射[Sci. Reports 3,1912(2013)]；同时该团队连续申请美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）激光打靶发次获得批准，利用美方的Callisto激光装置，实验结果克服了电子束和辐射源品质之间相互制约的瓶颈，在大幅提升辐射产额的基础上实现了二者“同时获得”的突破，为物质科学等领域提供了飞秒时间分辨的“X射线泵浦-电子探针”这一重要的实验手段[PNAS 111(16), 5825(2014)]。在此基础上该团队近期又取得了新的进展：
　　1）由于团簇对激光器对比度的高要求，以及波荡注入等自注入方式的随机性，迫切需要一种更简单、更稳定的电子加速和回旋辐射产生方法。为此，该团队利用电离注入的方式获得了实验进展。他们利用激光聚焦和克尔效应的平衡所导致的最高光强的瞬时性，使离化注入这种前人普遍认为连续的注入方式也获得了很低能散的单能电子束，同时离化注入天然具有的稳定性使电子加速过程的可控性得以保留。另外，离化注入的电子由于受激光尾部的强烈调制，极易共振而产生较高能量的辐射。这些结论在实验结果中得到了印证。
　　2）目前相对论光强下电子的加速模式纷繁复杂。为了对电子的注入和加速过程进行准确的控制，需要知悉在不同的相互作用状态下空泡的衍化和电子的加速状态。而目前尚不具备可靠的探针方式。该研究组仔细分析了模拟过程、电子能谱和电子回旋辐射的空间分布的关联，在对各种加速模式进行完整再现和统一的同时，提出利用电子能谱加上辐射的形态来判断加速模式的新方法。对典型的空泡瞬时注入状态、波荡注入状态、垂直注入状态和连续注入状态进行了全景式地成功再现，为研究电子的注入、加速模式，以及电子回旋辐射研究提供了最直接的诊断方法。
　　这两项进展近期发表于Appl. Phys. Lett. 105, 204101(2014)和Appl. Phys. Lett. 105, 161110(2014)。本研究得到国家自然科学基金重点项目、科技部973A类项目、科技部国家重大仪器专项、863高技术研究计划以及科学院相关项目的支持。

图1.利用电离注入稳定地获得单能电子束（左图）以及具有4keV的准直X射线辐射谱（右图）

图2.随着等离子体密度的渐变，呈现出四种不同的注入、加速方式（左图，模拟）。实验中再现了与之一一对应的电子能谱和与之紧密关联的回旋辐射前向分布（右图）。

相关链接：
Appl. Phys. Lett. 105, 204101(2014)：
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/105/20/10.1063/1.4902127
Appl. Phys. Lett. 105, 161110(2014)
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/105/16/10.1063/1.4900412