高功率强激光固体靶相互作用产生阿秒X射线辐射源研究

Attosecond X-ray pulses, with unprecedented spatiotemporal resolutions, make it possible to probe the ultrafast motion of electrons in atoms and molecules, and to detect and control the microscopic nano-world, which have significant applications in both fundamental and frontier sciences. According to the guidelines of the topic ZD4 of the NSAF program, in this project, we shall carry out theoretical, numerical and experimental studies on the attosecond X-ray pulse generation from solid targets by high-power intense lasers. A self-consistent physical and numerical model for both the emission and reaction of attosecond X-ray radiation in intense laser-plasma interactions will be set up. Theoretical analysis and numerical simulations will reveal the core physics and the key scaling laws for the generation of coherent, dense relativistic electron nanobunches. A scheme for the emission of bright attosecond X-ray pulses with photon energy >keV, duration <24as, and intensity >10^18W/cm^2 from solid targets by high-power intense lasers will be given. The theoretical expectations will be testified by preliminary experiments with developed precise measurement technology. The key qualities of the attosecond X-ray radiation such as brightness, divergence, conversion efficiency etc. will be analyzed.

阿秒X射线具有史无前例的高时间和高空间分辨率，使得人们能够分辨出分子、原子内部的电子动力学超快过程，并且可以探测和操控微纳世界。它在基础和前沿科学领域都有重要应用价值。按照NSAF联合基金重点支持ZD4项目指南要求，本项目将围绕高功率强激光固体靶相互作用阿秒X射线辐射源的产生开展理论、数值及实验研究。发展合理的物理与数值模型，建立自洽模拟阿秒X射线辐射源产生及反作用的高性能数值模拟能力。理论分析和数值模拟揭示产生具有相干结构相对论纳米电子束的核心物理机制和关键定标规律，给出高功率强激光固体靶相互作用产生光子能量大于keV、脉冲宽度小于24as、强度高于10^18W/cm^2的高亮阿秒X射线辐射源的物理方案。发展精密测量手段，开展实验初步验证，获得阿秒X射线辐射源的束发散角、产额等关键参数。培养中国工程物理研究院年轻参研人员，使我国能够紧跟、甚至引领该领域的国际发展前沿。

对超快过程的探测和控制决定了人类认识、改造物质世界的能力。阿秒光源可实现对组成物质的电子运动及其关联效应进行实时探测和操控，为人类认识微观世界提供了全新手段，被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一。世界各国都将阿秒科学列为未来10年重要的科技发展方向。利用强激光物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一。项目执行期间，我们针对高功率强激光固体靶相互作用产生阿秒X射线辐射源开展了系统的理论、数值模拟和实验研究，发展了自恰物理建模、数值程序和实验平台，揭示了获得高亮阿秒X射线辐射源的核心物理机制、关键激光和靶物理参数以及定标规律。在激光控制方面，我们提出双色激光薄靶相互作用获得孤立高强度阿秒脉冲的创新方案，通过双色激光基频和二倍频能量比列控制辐射电子层运动，不仅获得单个孤立阿秒脉冲，而且亮度比单色光增强40倍。在优化靶密度分布方面，我们提出采用近临界密度靶，可增加激光等离子体相互作用区间和相对论电子加速距离，从而大幅提高阿秒脉冲的亮度和能量转化效率，粒子模拟显示转化效率可提高1-2个量级。在靶结构设计方面，我们提出强激光驱动电容器靶产生百太瓦孤立阿秒脉冲创新方案，将激光能量以电容电场的形式存储，控制辐射次数，增益辐射能量；模拟表明，可获得100TW，8as相对论孤立阿秒脉冲。在实验研究方面，我们在SILEX-II激光器上开展了数拍瓦激光驱动的高次谐波实验，观测到等离子体辐射高次谐波；这是国际上首个在数拍瓦激光上开展的阿秒辐射实验。此外，我们还提出了利用线偏振双色激光固体靶相互作用产生圆偏振阿秒脉冲的方案，其在探测材料的手性和非对称属性方面具有重要应用。相关研究成果在Physical Review Letters、Optica等有国际影响的期刊发表论文多篇，引起国际关注；为开展新一代阿秒X光源的产生和应用研究提供了科学基础，其在国防、能源、材料和医疗等科学等领域都有重要应用前景。