近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室與伯克利實驗室陳強研究員合作，在基于微型磁場陣列產生極紫外到X射線的超寬帶調諧輻射源研究方面取得新進展。相關研究成果以 “Ultrabroadband ultraviolet to x-ray radiation from microscale magnetic field arrays” 為題發表在Physical Review Applied上。
 

　　同步輻射或自由電子激光產生的高亮度X射線源廣泛應用于科學研究、工業生產等領域。為了降低同步輻射光源或自由電子光源的成本和占地面積，基于微尺度有序電磁場的微型波蕩器提供了一種新的自由電子光源實現途徑。例如，光子準粒子(如表面等離子體極化子)的強局域光場可用作短空間周期的微型波蕩器。周期性納米線陣列或納米結構具有近場增強的效果，可以使自由電子做波蕩運動，從而提高輻射效率。然而，盡管取得了這些進展，納米結構加工和近場穩定性控制等技術難題仍然是開發緊湊型輻射源的挑戰。等離子體中的Weibel不穩定性可誘導產生具有周期結構的強磁場陣列，這在構建新型輻射源方面具有巨大潛力。
 

　　研究團隊提出了一種基于Weibel不穩定性產生強磁場陣列誘導電子輻射的新型超寬帶EUV-X光源。理論分析了在成絲和雙流不穩定性競爭下形成穩定電流絲的條件，其中成絲不穩定性可以產生強的自組織磁場，進而約束大多數電子在電流絲中沿螺旋軌跡運動。研究發現磁場的增長速度、強度和穩定尺寸受到電子束密度的調節，進而影響輻射的分布和亮度。研究團隊建立了相應的理論模型，通過控制入射電子的能量和密度參數實現了從EUV到X射線的超寬帶調諧的輻射源，其中峰值亮度可達5×1022光子/(秒·平方毫米·平方毫弧度·0.1%帶寬)。這種EUV到X射線的超寬帶輻射源不僅是現有技術的升級，更是推動多學科突破的關鍵工具。其應用從微觀的電子運動觀測等科學研究到工業創新等需求，未來在可調諧性、脈沖速度及光源強度上的進步將進一步拓展其應用邊界。
 

　　相關工作得到國家自然科學基金、基礎研究特區計劃、中國科學院青年創新促進會等項目支持。
 

　　圖1. 電子束傳播的密度分布和軌跡。藍色實線和橙色實線表示電子空間軌跡，虛線表示縱向投影。(10fs) 處的橫向和縱向密度分布顯示了成絲和雙流不穩定性的影響。

 

　　圖2. (a) 電子能量γb=4,10,20和50時產生的光子亮度。(b) 電子密度nb=0.6nc,1nc和2nc時平均橫向磁場強度。(c) 對應圖(b)條件下的輻射能譜分布。