上海光机所在激光驱动极紫外辐射增强的研究中取得进展

图 1 极紫外高次谐波增强原理示意图

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室宾建辉研究团队联合张江实验室曾志男、郑颖辉研究团队，在极紫外辐射增强研究方面取得重要突破。相关研究成果以“Robust enhancement of extreme ultraviolet radiation via transient electrostatic field induced by electron nanobunches from double nanofoils”为题，发表于Optics Express。

相对论激光强度下的电子动力学研究备受关注，而高强度极紫外高次谐波更是该领域的核心追求目标。极紫外高次谐波作为阿秒科学的重要支撑，在原子物理、超快动力学等领域具有广阔的应用前景，但其亮度和光子能量提升一直面临技术瓶颈。传统增强方案往往对激光对比度、脉冲持续时间等参数有严格要求，限制了其实际应用范围。

针对这一问题，研究团队首次提出并实验验证了一种新型极紫外辐射增强方案——利用相对论强度激光照射双层纳米薄膜靶，通过第一层靶产生的电子纳米束诱导瞬态静电场，实现透射方向极紫外高次谐波的稳健增强。该方案的核心物理机制在于：激光照射双层纳米靶时，第一层靶的电子被激光以纳米束形式周期性吹出，同时产生较强的瞬态静电场;该静电场作用于第二层靶，促使第二层靶形成空间局域性更好、密度更高的电子束，进而优化相干同步辐射(Coherent synchrotron emission, CSE)过程，最终实现极紫外辐射的显著增强。

为验证该方案的可行性，研究团队开展了系统的理论模拟和实验研究。采用一维和二维粒子模拟(Particle-in-cell，PIC)方法，验证了瞬态静电场对电子束压缩及谐波增强的作用机制，模拟结果显示，双层纳米靶方案在高次谐波区域呈现更平缓的强度衰减特性，与相干同步辐射机制的预期高度一致。在此基础上，团队利用上海光机所200太瓦级/1赫兹激光装置进行了相关实验，实验结果表明，只需将激光聚焦在两靶之间，无需刻意优化激光对比度和脉冲持续时间，即可实现谐波辐射强度一个数量级以上的增强，且双层纳米靶间距可扩展至约32微米甚至更长，实验数据与模拟结果高度吻合。

图 2 双层靶与单层靶实验结果对比

进一步研究发现，该方案具有极强的稳健性：在激光脉冲持续时间从30 fs变化至300 fs的情况下，谐波辐射强度变化不敏感;而激光聚焦位置对增强效果有显著影响，聚焦于两靶之间时可获得最优增强效果。该方案突破了传统相干同步辐射增强对激光参数要求苛刻的局限，为相对论激光强度下等离子体诱导电子动力学研究提供了新视角，也为实现极紫外高次谐波的高效增强提供了一种实用、稳健的新方法。该研究不仅深化了对强激光与等离子体相互作用机制的理解，还推动了极紫外辐射光源的实用化进程。

相关工作得到了国家重点研发计划(2024YFA1612102)、中国科学院基础研究领域青年科学家项目(YSBR-060)等项目的支持。