北京
高亮度的伽马射线源在核物理、强场量子电动力学（QED）等前沿研究，以及无损检测、国防安检、医学成像等应用领域具有广阔的应用价值。传统的伽马射线源，如同位素放射源、反应堆、轫致辐射源等，在亮度、单色性、偏振可控性、脉冲宽度等方面各有短板。逆康普顿散射（Inverse Compton Scattering, ICS），通过高能电子束与强激光对撞，将低能光子“上转换”为高能伽马光子，被认为是实现高亮度、能量可调、偏振可控、短脉冲γ光源的重要途径。与基于传统加速器的对撞方案相比，基于激光尾波场加速（LWFA）的全光ICS，是桌面型高亮度 γ 光源的创新技术路线，主要分为双激光对撞方案和单激光等离子体镜（PM）反射方案两类。PM方案凭借其内在的自对准特性，消除了双光束方案中μm - fs尺度的苛刻四维时空同步要求，结构简单、稳定可靠；但目前存在反射激光光斑尺寸（几十μm）远大于电子束束斑（几μm）、激光能量利用率低的固有瓶颈。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心HX-L05组李玉同研究员团队与上海交通大学陈黎明教授团队合作，依托怀柔综合极端条件实验装置（SECUF）-超快X射线动力学实验站，提出并实验验证了一种“镀膜等离子体镜”创新方案，大幅提高了γ射线的产生效率和亮度。他们利用SECUF-超快X射线动力学实验站的PW激光系统，通过在普通石英基底（PM）表面镀一层疏松的ZnS薄膜，利用激光有质动力和相对论透明效应的协同作用，如图（a, b）所示，使等离子体镜临界密度面自发地演化成一个凹陷结构，从而将反射激光脉冲重新聚焦、增大激光强度a₀，与尾随的电子束碰撞后大幅提升ICS的转换效率。团队在100TW、400TW两种激光条件下，进行了有/无镀膜的平面等离子体镜对照实验，如图（c-e）所示。实验结果和数值模拟表明，疏松的镀膜层被激光前沿电离形成不过于稠密的等离子体，激光光斑中心穿透更深、反射更晚，边缘穿透较浅、反射更早，激光波前自动弯曲，自发形成一个凹陷形状的等离子体反射面，将反射激光重新聚焦增大碰撞点的激光强度ai。在100 TW激光条件下，镀膜PM将与电子碰撞时的激光强度ai从未镀膜的2.9提升至4.5；实验中，ICS光子产额提升约6倍，光子临界能量~39 MeV，激光 - 辐射能量转换效率比无镀膜时提升近1个数量级。增大激光功率至400 TW后，单发射光子产额达8×10⁹，比100TW时提升了约2个数量级，光子临界能量达到60 MeV，光子截止能量接近400 MeV，转换效率更是创纪录的达~10⁻³。随着激光功率提升至PW级，相互作用激光强度ai和能量转换效率有望进一步提升。
图. 数值模拟和实验结果：（a）有、无镀膜时，等离子镜密度反射面、激光脉冲、电子束的形貌和相对位置；（b）激光强度ai与散射光子产额演化；100TW激光条件下（c）不同PM位置下的辐射信号强度与发散角,（d）实验与模拟的ICS光子能谱；（e）能量转换效率对比。
从"反射激光"到"塑造激光"，镀膜PM方案不仅提升了γ射线的产生效率，推动紧凑型、高亮度全光ICS伽马射线源的工程化应用以及强场QED等前沿科学领域的快速发展；更展示了等离子体光学主动调控超强激光的新可能，为偏振、涡旋、飞行聚焦等更多强激光光场调控技术提供新思路，有力推动强场超构表面光学调控技术的发展。
该研究成果以“Enhanced inverse Compton scattering via spontaneous focusing induced by a coated plasma mirror”为题，于2026年7月23日在线发表于《Nature Photonics》，上海交通大学博士生胡曦辰、祝铭阳为共同第一作者，中国科学院物理研究所李毅飞、上海交通大学陈黎明为通讯作者，主要作者还包括中国科学院物理研究所的王进光和鲁欣。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助，全部实验依托怀柔SECUF-超快X射线动力学实验站完成。
编辑：子木
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