近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)，在基于片上微型波蕩器X射線(xiàn)輻射源研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“On-chip high energy photon radiation source based on near-field-dielectric undulator”為題發(fā)表在Advanced Photonics Nexus上。

在激光系統(tǒng)小型化技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，傳統(tǒng)大型科學(xué)裝置正逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室乃至桌面化部署。為突破實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下高單色性、高指向性高能光子流的產(chǎn)生瓶頸，片上集成自由電子光源概念應(yīng)運(yùn)而生。在此研究背景下，通過(guò)微納加工技術(shù)將傳統(tǒng)波蕩器（undulator）結(jié)構(gòu)微型化已成為重要技術(shù)路徑——借助極短周期波蕩結(jié)構(gòu)（通常達(dá)亞微米量級(jí)），可使相對(duì)論電子束輻射頻率擴(kuò)展至X射線(xiàn)乃至γ射線(xiàn)波段。此類(lèi)緊湊型光源憑借其窄帶頻譜特性和優(yōu)異的光束準(zhǔn)直性，為同步輻射光源的桌面化應(yīng)用提供了革新性解決方案。

在本項(xiàng)研究中，研究人員提出了一種基于電磁誘導(dǎo)周期性近場(chǎng)調(diào)控的創(chuàng)新方案，通過(guò)精密設(shè)計(jì)的介電納米柱陣列在高能電磁場(chǎng)環(huán)境下激發(fā)空間調(diào)制的近場(chǎng)分布，構(gòu)建等效周期為50納米的電磁波蕩器。當(dāng)兆電子伏特量級(jí)的高能電子束與這種人工微結(jié)構(gòu)近場(chǎng)發(fā)生相互作用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電子束的軌跡調(diào)制與同步輻射產(chǎn)生。數(shù)值模擬表明，該結(jié)構(gòu)可利用臺(tái)式化加速器在微米作用長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生光子能量達(dá)千電子伏特量級(jí)的準(zhǔn)直X射線(xiàn)，若使用更高能量的電子束則可將光子能量擴(kuò)展到γ射線(xiàn)量級(jí)，或簡(jiǎn)單地直接使用射頻電子槍即可在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)面上產(chǎn)生極紫外輻射。該創(chuàng)新方案不僅大幅降低了高亮度X/γ射線(xiàn)源的建造與運(yùn)行成本，更在超高分辨生物醫(yī)學(xué)成像、納米尺度材料表征、量子調(diào)控等前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值，為極端物理研究和新一代光子技術(shù)發(fā)展提供了全新的研究平臺(tái)。

相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)、基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃等基金支持。

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圖 1(a)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，利用微波腔（紫色）內(nèi)的高能微波（綠色）激發(fā)介電納米柱陣列（灰色），產(chǎn)生(b)中展示的周期性橫向近場(chǎng)分布；(c)中展示了介電納米柱陣列形成的波蕩通道內(nèi)的電場(chǎng)線(xiàn)分布，促使電子作與陣列周期相同的橫向波蕩，從而發(fā)生(d)所示的輻射過(guò)程。