半周期极紫外/X射线新型辐射源的相关研究

Recently, we find a novel scheme to generate half-cycle XUV/X-ray pulses (NaturePhoton.2012). Relativistically intense laser is obliquely incident on a double-layer nano-foil target. First, laser radiation pressure pushes all electrons out of the 1st layer to form a relativistic electron sheet. The 2nd thicker layer can completely reflect the laser pulse. When electrons pass the 2nd foil, they are kicked by the reflected laser and obtain a transverse momentum. Transversely moving relativistic electron sheet can emit a half-cycle electromagnetic wave. The nm-scale thickness of the sheet determines XUV/X-ray radiation. An oversea experimental group just demonstrates some features of our scheme. In order to make this new topic internationally well-known and hold our leading role, we need to carry out extended and related research works on this topic. We propose to develop a better analytical model, explain long-pulse simulation/experiment results, consider ionization effect and develop single-pulse generation scheme etc. Successful accomplishment of these research activities will give us a complete and systematic knowledge on this novel radiation mechanism, and speed up the process to a truely useful attosecond light source in the real world.

最近,我们发现了能产生半周期极紫外(XUV)或X射线的第一个理论方案(Nature Photon.2012).该方案采用强激光斜入射到双层纳米薄膜上,先利用激光的有质动力从第一个靶推出一个相对论运动的电子片;接着利用第二个较厚纳米靶反射激光,电子片顺利穿过第二个靶的同时由于反射激光的二次作用得到一个横向动量.横向运动的电子片就能辐射一个单极场也就是半周期电磁波.纳米量级厚的电子片决定了辐射在XUV/X射线区域.该方案已经得到一个海外实验团队的初步实验验证.为了能将该课题发展成为一个具有国际影响力的研究方向和维持申请人的领先地位,我们需要开展诸多深入相关的理论研究.在该项目中,我们拟将建立更完善的理论模型,解释接近实验的长脉冲模拟结果,考虑电离效应和发展单周期脉冲的产生方案等研究工作.这些工作的顺利完成将使我们对这样一个全新的辐射机制有一个完整系统的认识,加快其成为一个实用辐射源的进程.

本课题研究基于相对论电子片产生相干极紫外和X射线的新型阿秒脉冲源。阿秒脉冲是阿秒科学的主要驱动光源。我们关注的新型阿妙辐射机制包括半周期X射线脉冲产生和相干Thomson散射。四年里，我们利用解析计算和PIC模拟，深入研究了这两种辐射机制，取得了突破性的研究成果。首先我们发现了一种产生一对阿秒脉冲的新方法。两个阿秒脉冲用来实现阿秒泵浦诊断。第一个阿秒脉冲激发待测系统，第二个脉冲来诊断系统的后续演化。在我们的新方案中，阿秒双脉冲的功率可达GW量级，单脉冲可短于10阿秒；这些指标大大超越传统双阿秒脉冲光源，有望极大提高阿秒泵浦探测的时间分辨。我们还发展了非绝热的相干Thomson散射理论。非绝热指激光脉冲只包含几个光周期。常用的长脉冲相干Thomson散射理论就需要修正。我们发展的非绝热散射理论的解析结果与PIC模拟吻合得很好，同时发现了单周期激光脉冲可使散射效率提高2个数量级，这一发现有助于人们产生更强更短的阿秒脉冲。意外地，在激光等离子体中若干辐射现象的启发下，我们开展了球状闪电的理论研究，最终得到一个能成功解释其主要特征的自洽定量理论。该工作获得国内外同行的高度评价和广泛认同，产生了很强的学术影响和社会效应。我们进一步解释了闪电的强无线电双脉冲的产生过程。这种无线电辐射已被国内外4颗卫星观测了20多年。我们发现其与球闪是同源的，球闪触发机制可以完满解释地绝大多数观测数据。球状闪电的工作是原创性的，远超本研究计划的预期；后续研究有望开启一门全新的研究领域，对各个学科产生不可估量的影响。