基于激光等离子体的X射线伽马射线辐射源研究

High quality X-ray has important applications in structural imaging and matter detecting. In this project we plan to investigate X-ray radiation sources based on laser plasma interactions. Such radiation sources possess a lot of outstanding properties, like ultrahigh brightness, femtosecond duration, high energy in keV~MeV range, high repetition, compact structure and low cost. As a result, it's possible that such X-ray sources can be one day widely used in university laboratories, hospitals, and biomedical companies. Here we are going to build a new undulator based on oscillating plasma wave, to produce high quality X-ray radiation. And the feasibility of such an undulator as a part of an X-ray Free Electron Laser (XFEL) will be also investigated. On the other hand, compact gamma ray radiation schemes will be proposed and discussed, by investigating excellent electron beams resonant radiating in sub-critical density plasma waves or Thomson backscattering in laser fields. Our research will be carried out mainly on analysis and computer simulations, as well as cooperation with experimental groups.

高品质的X射线在结构成像，物质探测方面有着非常重要的应用。本项目拟研究完全基于激光等离子体的X射线辐射源。这种辐射源具有超高亮度、飞秒级超短脉宽、十几keV甚至MeV高能量、高重复频率、装置紧凑且成本相对同步辐射器低很多等特点。这些性质将使它很有可能被广泛应用于大学、医院、生物制药公司等中小型平台。我们主要是通过构造新型的基于振荡等离子体波的波荡器来获得高品质的X射线辐射源，并研究其作为X射线自由电子激光器的可行性以及对电子束参数的要求。同时，通过研究优良性质的电子束在亚临界密度等离子体尾波场中的共振辐射或者在激光场下的汤姆逊背向散射，提出台式γ射线辐射源的新方案。我们的研究以解析理论和计算机模拟为主，注重与其他实验小组合作并提供解决方案。

相对论强度激光脉冲与等离子体相互作用有望产生超高亮度、飞秒级超短脉宽、keV甚至MeV高能量、高重复频率、装置紧凑、成本相对更低的x射线伽马射线辐射源。这种辐射源可以应用于结构成像，物质探测等多个领域。目前该方向的研究正处于蓬勃发展的阶段，其主要聚焦于如何提高辐射的亮度，如何提高辐射光子的能量，以及如何对辐射的性质进行操控等方面。受项目资助我们主要研究了强激光与气体密度等离子体作用产生高品质（单能高亮度，高能）的x/伽马射线；研究了强激光与固体密度等离子体作用产生携带角动量的阿秒脉冲。我们取得了如下的研究成果：提出了一种可以辐射准单能软x射线的等离子体波荡器的概念；提出了一种能辐射出伽马射线的等离子体波荡器的概念；发现了圆偏振激光与具有凹槽结构靶作用时可以将驱动光的自旋角动量转化为谐波的轨道角动量这一新现象；发现了圆偏振激光与超薄厚度的固体靶作用时可以产生圆偏振的阿秒脉冲；发现了涡旋激光和低密度等离子体作用可以放大磁场的新现象；发现了飞秒激光在合适的参数区间范围之内可以在空气中传播上千公里。某些研究成果受到了国内外众多科技媒体的报道，比如美国科学促进会，Phys. Org以及中国科学报等。同时我们在涡旋阿秒方面的工作也被候选为2020年中国光学十大进展工作。这些研究成果可以为台式化自由电子激光器，台式化伽马光子辐射源以及手性材料磁性材料探测等重要应用提供新思路。