近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室研究團隊，在基于片上微型波蕩器X射線輻射源研究方面取得進展。相關研究成果以“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)小型化技術快速發(fā)展的推動下，傳統(tǒng)大型科學裝置正逐步實現(xiàn)實驗室乃至桌面化部署。為突破實驗室環(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運而生。在此研究背景下，通過微納加工技術將傳統(tǒng)波蕩器（undulator）結(jié)構(gòu)微型化已成為重要技術路徑——借助極短周期波蕩結(jié)構(gòu)（通常達亞微米量級），可使相對論電子束輻射頻率擴展至X射線乃至γ射線波段。此類緊湊型光源憑借其窄帶頻譜特性和優(yōu)異的光束準直性，為同步輻射光源的桌面化應用提供了革新性解決方案。

在本項研究中，研究人員提出了一種基于電磁誘導周期性近場調(diào)控的創(chuàng)新方案，通過精密設計的介電納米柱陣列在高能電磁場環(huán)境下激發(fā)空間調(diào)制的近場分布，構(gòu)建等效周期為50納米的電磁波蕩器。當兆電子伏特量級的高能電子束與這種人工微結(jié)構(gòu)近場發(fā)生相互作用時，可實現(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)可利用臺式化加速器在微米作用長度內(nèi)產(chǎn)生光子能量達千電子伏特量級的準直X射線，若使用更高能量的電子束則可將光子能量擴展到γ射線量級，或簡單地直接使用射頻電子槍即可在實驗室工作臺面上產(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射線源的建造與運行成本，更在超高分辨生物醫(yī)學成像、納米尺度材料表征、量子調(diào)控等前沿領域展現(xiàn)出獨特應用價值，為極端物理研究和新一代光子技術發(fā)展提供了全新的研究平臺。

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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)的電場線分布，促使電子作與陣列周期相同的橫向波蕩，從而發(fā)生(d)所示的輻射過程。

相關工作得到國家自然科學基金項目、中國科學院基礎研究青年團隊、基礎研究特區(qū)計劃等基金支持。

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