希腊ZEUS强激光系统启动粒子加速与X射线源研究
强激光技术广泛地推动了科学进程，涵盖了从宇宙中最基本的问题到各种可能的实际应用。其中，一个重大突破是啁啾脉冲放大（CPA）技术，经过压缩和聚焦的超短激光脉冲强度可达1023 W/cm2。超强超短激光的极端强场开辟了强激光相互作用物理学的新领域，也显著拓展了非线性光学的研究范畴。激光脉冲及其产生的次级辐射粒子源是其中一个重要的方向，其应用和发展依赖于对光与物质相互作用基础过程的理解。
强激光脉冲驱动的粒子加速器与短波辐射源在科学研究、商业、医疗和安保等领域有十分重要的前景。比如，在生物医学领域，质子刀是应用于肿瘤治疗的先进手段，这要求质子束具有单色性和准直性，根据穿透深度的要求，质子能量范围为几MeV至250 MeV，而激光加速质子为该领域的研究提供了新的可能。与此同时，通过强激光-物质相互作用加速电子是基础科学和应用领域的新前沿。激光等离子体加速器的主要机制为激光尾波场加速（LWFA）的空泡机制（超短激光脉冲驱动低密度等离子体，产生带正电的空泡区域）。这一原理能够产生超高能的单色电子束流，有望将LWFA用于许多大规模的同步辐射设备。
电子通过LWFA完成加速，还可以通过Betatron振荡产生X射线辐射，其具体过程为：电子注入等离子体空泡，在负向电场区域中被加速到相对论能量，与此同时，在等离子体横向场作用下来回振荡，辐射X射线波段的光子。这些次级X射线具有较强的空间相干性，因此能够应用于高分辨X射线成像。另一方面，强场激光与原子气体相互作用的非线性光学研究也具有重要意义，基于该机制的相干光子源已经将光谱测量的范围扩大到极紫外和软X射线。强场激光驱动的高次谐波（HHG）产生，有力支撑了软X射线的应用，如原子、分子、材料中电子和自旋动力学研究以及高时间分辨成像、高精度光谱探测等。
希腊地中海大学等离子体物理和激光研究所（IPPL）旨在研究激光与物质相互作用、脉冲功率诱导等离子体及相关应用。近期启动的ZEUS激光系统为激光加速粒子和X射线源的研究，在希腊乃至国际学术界占据一席之地提供了独一无二的机会。近日发布在High Power Laser Science and Engineering 2021年第4期上的文章介绍了IPPL基于ZEUS 45 TW 激光系统驱动的次级强辐射源研究(E. L. Clark, A. Grigoriadis, S. Petrakis, et al. High-intensity laser-driven secondary radiation sources using the ZEUS 45 TW laser system at the Institute of Plasma Physics and Lasers of the Hellenic Mediterranean University Research Centre[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2021, 9(4): 04000e53)。
图1 相对论电子加速装置示意图：45 TW的高功率激光束（红色）聚焦在惰性气流上中，产生的次级激光束（紫色）作为探针用于相互作用研究；绿色表示加速电子。
ZEUS激光器是一套基于CPA技术的钛蓝宝石激光系统，脉冲宽度为23 fs，单脉冲能量1 J，在10 Hz的频率下，最大峰值功率达到45 TW。通过聚焦，激光脉冲强度可以超过1020 W/cm2。ZEUS激光系统还提供能量10 mJ左右，脉冲时间为25 fs，频率同为10 Hz的相对低能的激光脉冲，与超强激光脉冲形成互补。
ZEUS采用超强激光脉冲聚焦在厚度不等的铝靶上实现了质子加速。结果表明，激光加速的质子能量达到2.3 MeV，现阶段预等离子体的形成限制了更高能质子的产生。粒子模拟显示，在没有预等离子体条件下，ZEUS激光系统可以将质子加速至10 MeV。基于此，近期研究人员未来进一步开展激光加速产生的质子束应用于生物医学领域的研究。为了实现该目标，实验室在相互作用真空靶室安装了一个可重入管，以便在大气压强下将生物样品安置在次级辐射源附近。
电子加速是通过ZEUS超强激光脉冲聚焦到惰性气流，驱动LWFA实现的，电子束具有高准直性、准单能特性，其能量和方向稳定，测量中统计的发数高达3000次。当聚焦到氦气上时，ZEUS超强激光脉冲能将电子加速到最高200 MeV的能量。研究人员近期计划先努力减少预等离子体的形成，然后增强电子束的可重复性和稳定性。
ZEUS超强激光脉冲也用于产生Betatron等离子X射线源。当ZEUS激光束与气体相互作用时，实验装置能够记录产生的强流电子束和发射的X射线，用以探测多电子惰性气体在空泡动力学和电离注入过程的特征。理论研究证明，使用多电子气体靶并且调整好激光强度可以提高Betatron等离子X射线辐射的效率。目前，他们的研究主要集中在改善X射线辐射特性上，并推进其在亚微米尺度成像上的应用。
ZEUS激光系统的相对低能的激光脉冲聚焦在静态惰性气体腔出口附近，可以产生相干XUV辐射。研究人员对这种次级XUV光源进行了系统的研究，确定了高品质HHG-XUV次级光束的最佳条件。后续工作包括针对软X射线开发一个适用于相干衍射成像(CDI)的多光谱显微镜集成系统。可以说，这一光源未来能通过相干光对表面微结构进行快速成像，这是现有的传统激光源不可能做到的。
为了更好地理解与实验相关物理现象，研究人员利用先进的数学模型和模拟模块开发了计算工具。模拟计算通常是在高等研究信息系统(ARIS)的高性能计算集群上进行，前者是希腊国家研究和技术的一个基础设施。这些仿真模拟的参数与实验条件一致，其中粒子网格模拟(PIC)程序为EPOCH和PIConGPU代码。最初，针对质子和电子加速实验的PIC模拟局限在二维空间，由于实际需要才扩展至三维。近年来，得益于搭载在CPU和GPU平台上的PIC模拟的可扩展性和计算性能，研究人员计算了质子和电子的加速实例，结果表明ZEUS激光系统和欧洲极端光设施(ELI-Romania)的激光能够满足它们的加速条件。
IPPL主任Michael Tatarakis教授认为，诸如ZEUS 45 TW的激光系统可以产生良好、稳定的高频次级辐射和粒子源，它们的应用范围广泛，从粒子加速、激光可控热核聚变研究到材料和生物医学研究。该TW激光系统的规模和可控性使它们成为基础科学研究的理想之选，在激光脉冲光谱和时序特征测量方面也有重要应用。
END
报道激光物理、技术及应用最新进展
邀请主编、作者、编辑以及您来评论
如需转载 请直接留言
商务合作请联系
朱先生 13918384218（微信手机同号）
扫描
微信矩阵
了解更多精彩
中国激光杂志社
爱光学
光电汇