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超强激光科学卓越创新简报

(第六百三十三期)

2025年4月11日

上海光机所在片上微型波荡器X射线辐射源研究方面取得进展

近期， 超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队，在基于片上微型波荡器X射线辐射源研究方面取得进展。相关研究成果以“On-chip high energy photon radiation source based on near-field-dielectric undulator”为题发表在Advanced Photonics Nexus上。

在激光系统小型化技术快速发展的推动下，传统大型科学装置正逐步实现实验室乃至桌面化部署。为突破实验室环境下高单色性、高指向性高能光子流的产生瓶颈，片上集成自由电子光源概念应运而生。在此研究背景下，通过微纳加工技术将传统波荡器（undulator）结构微型化已成为重要技术路径——借助极短周期波荡结构（通常达亚微米量级），可使相对论电子束辐射频率扩展至X射线乃至γ射线波段。此类紧凑型光源凭借其窄带频谱特性和优异的光束准直性，为同步辐射光源的桌面化应用提供了革新性解决方案。

在本项研究中，研究人员提出了一种基于电磁诱导周期性近场调控的创新方案，通过精密设计的介电纳米柱阵列在高能电磁场环境下激发空间调制的近场分布，构建等效周期为50纳米的电磁波荡器。当兆电子伏特量级的高能电子束与这种人工微结构近场发生相互作用时，可实现电子束的轨迹调制与同步辐射产生。数值模拟表明，该结构可利用台式化加速器在微米作用长度内产生光子能量达千电子伏特量级的准直X射线，若使用更高能量的电子束则可将光子能量扩展到γ射线量级，或简单地直接使用射频电子枪即可在实验室工作台面上产生极紫外辐射。该创新方案不仅大幅降低了高亮度X/γ射线源的建造与运行成本，更在超高分辨生物医学成像、纳米尺度材料表征、量子调控等前沿领域展现出独特应用价值，为极端物理研究和新一代光子技术发展提供了全新的研究平台。

相关工作得到国家自然科学基金项目、中国科学院基础研究青年团队、基础研究特区计划等基金支持。

原文链接

图 1(a)装置结构示意图，利用微波腔（紫色）内的高能微波（绿色）激发介电纳米柱阵列（灰色），产生(b)中展示的周期性横向近场分布；(c)中展示了介电纳米柱阵列形成的波荡通道内的电场线分布，促使电子作与阵列周期相同的横向波荡，从而发生(d)所示的辐射过程。

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