《THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D》雜志最近刊登了德國馬普量光研究所等單位聯(lián)合發(fā)表的一篇題為《第一次觀察到強激光作用在碳薄膜上產(chǎn)生的準單能電子束》的文章。

強激光作用在物質(zhì)上可以通過空泡機制加速電子到GeV的能量，這樣的在電子在激光等離子體中運動會發(fā)射數(shù)KeV不相干的X射線。最近又提出了一種新的概念，通過超強激光與超薄靶相互作用能夠產(chǎn)生高密度的相對論帶狀電子束，此文在實驗上利用這種機制獲得準單能的電子束。在本實驗中，采用的是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的Trident激光裝置，其傳輸?shù)哪芰繛?0J,脈寬為500fs，中心波長為1.053μm，聚焦光斑為9.4μm，峰值光強為2*1020W/cm2，對比度為5*10-10，線性偏振，用這樣的激光正入射到類金剛石結構的碳薄膜（DLC）靶上。DLC是由金剛石和石墨晶體共同組成的準非晶態(tài)，具有透明性、強機械張力及高硬度的特點，這樣的靶適用與該實驗。實驗中DLC有兩個靶厚，分別為5nm和42nm。實驗裝置示意圖如圖一所示，其中電子由永久磁鐵電子能譜儀診斷，與激光傳播方向的夾角為6.50，并用一個Thomson能譜儀對離子進行探測，置于激光的傳播方向。

圖7  強激光作用在碳薄膜上產(chǎn)生的準單能電子束實驗裝置示意圖

通過實驗得知，5nm的DLC和42nmDLC的結果截然不同。當DLC的厚度為42nm時，電子的能譜呈現(xiàn)類麥克斯韋分布，這和之前用微米靶的情況相同，此時熱電子的溫度為12MeV。而當DLC的厚度為5nm時，電子的能譜在30MeV處存在一個明顯的峰值，能譜寬度的均方根為9MeV，在這個能量范圍內(nèi)電子電量達到7pC。且對于能量為20MeV以上的電子而言，電子總能量在5nm情況下要比42nm情況時大2.5倍以上。與此同時，在兩種情形下，離子的截止能量也有很大的區(qū)別。42nm情況時，C6+和質(zhì)子的截止能量分別為160MeV和37MeV；5nm時，C6+和質(zhì)子的截止能量分別降至為60MeV和19MeV，離子總能量相對于42nm情形降低了至少20倍。電子和離子的能譜分布如圖二所示：

圖8 電子和C6+的能譜分布

文中認為，42nm和5nm情況下電子和離子能譜分布的差異是由兩者的靜電分離場造成的。當DLC厚度為5nm時，激光場大于激光靶作用區(qū)域的靜電分離場，所有的電子在激光有質(zhì)動力作用下都會逃離離子，從而使縱向電場崩潰，這樣的電子在激光有質(zhì)動力的推動下可以獲得比較均勻的速度，從而有一個單能的效果，而離子因為縱向電場的崩潰而不能加速到更高的能量。當DLC厚度為42nm時，激光的電場比靜電分離場小一個數(shù)量級，此時被激光加速的電子不能逃離分離場，其能量也隨著激光的消失而呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢，而離子能在靜電分離場中更長時間地加速，從而獲得更高的截止能量。