日前，北京大学物理学院乔宾教授团队与合作者在强激光驱动的超快光子束流-阿秒脉冲辐射研究方面取得了重要进展。

超快光子束流可通过对组成物质的原子、分子和电子等微观粒子进行超高时空分辨率的测量和控制，实现对物质相关的物理、化学、生物、医学等宏观过程的理解、应用和控制。而时间尺度在10^-18秒的阿秒光子束流，能够对电子进行实时探测和控制，为人类认识微观世界提供了全新手段，被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一。世界先进国家都将阿秒科学列为未来10年激光科学最重要的发展方向。欧盟极端光学装置ELI（Extreme Light Infrastructure）项目三大装置之一，位于匈牙利的阿秒光脉冲源 （ELI-ALPS）研究中心首要任务就是为国际科学界用户提供涵盖相干极紫外（XUV）、X 射线以及阿秒脉冲的超快光子束流。北京大学牵头拟申报建设的“十四五”国家重大科技基础设施“激光驱动多束流”项目中也将超快光子束流平台以及阿秒脉冲作为重要建设内容之一。

目前，阿秒脉冲辐射主要是利用低功率的弱激光驱动惰性气体通过电离-加速-复合过程产生的高次谐波来获得，但此种方式最大难题之一是由于离化阈值限制阿秒脉冲的亮度非常低。强激光与物质相互作用驱动产生高次谐波的方式是当前最有希望获得高亮超快阿秒光源的手段之一，有可能将相干阿秒光源的强度推进至相对论参数区域，光谱频率推进至X甚至伽玛波段。乔宾教授团队长期致力于强激光固体靶相互作用驱动阿秒X射线辐射源的研究，发展了国际先进的大规模并行数值模拟程序，并与中物院激光聚变研究中心合作在国际上率先在数拍瓦激光装置上开展了阿秒脉冲辐射的实验研究。此次他们从驱动激光控制和精密制靶两个方面提出了强激光驱动产生高亮度孤立阿秒脉冲的物理和实验方案。

图1：双色激光与纳米薄靶相互作用产生孤立的高亮阿秒脉光的模型图

在第一个工作中，他们与合作者提出了通过双色激光与薄靶相互作用获得孤立的高强度阿秒辐射脉冲光的新方案。研究发现当将双色光的的基频光成份和二倍频光成份的相位差控制为π、能量占比控制为0.1时，纳米靶中电子可在一个周期内被全部推出靶外，形成高密高能的纳米电子层，发生强相干同步辐射，不仅可同时在反射和透射方向产生孤立的阿秒脉冲光，而且脉冲强度是单色光作用下的近40倍。该工作近期以”Giant Isolated Attosecond Pulses from Two-Color Laser-Plasma Interactions”为题发表于《物理评论快报》[Physical Review Letters 124, 114802 (2020)]，物理学院博士生张玉雪为论文第一作者。

图 2：强激光驱动电容器靶产生百太瓦孤立阿秒脉冲方案的原理和实验设计示意图

在第二个工作中，他们提出了利用强激光和纳米电容器靶相互作用的创新物理方案。此方案中，当激光强度达到最大时，前靶电子被推向后靶，电容器快速完成充电，激光能量以静电能的形式存储在电容器靶中；后靶电子在激光电场和电容电场的双重加速下达到相对论能量，并被有效压缩至亚纳米宽度，实现keV波段的超宽频相干同步辐射；电容器完成放电后，相干谐波辐射过程也随之终止，实现了百太瓦级、X射线波段、数个阿秒宽度的孤立脉冲辐射。该工作近期在Optica[Optica 7, 355 (2020)]杂志发表论文“Production of 100-Terawatt single attosecond X-ray pulse”。物理学院博士生徐新荣为论文第一作者。

以上研究工作得到了国家自然科学基金委重点基金、杰出青年基金、挑战计划、国家重点研发计划和国防科技大学学校科研计划项目的大力支撑。