國立中央大學邁向頂尖大學計畫

「複雜系統與電漿科學」領域

 

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強場雷射電漿物理及應用 複雜系統尖端實驗 非線性複雜系統科學理論

 

分項計畫1:強場雷射電漿物理應用

2014/01/09更新

強場物理與超快技術實驗室 High-Field Physics and Ultrafast Technology Laboratory

整體規劃及具體實施策略

2005-2009年間我們在中央大學建造了一個高品質、多光束的100兆瓦雷射。我們將使用這個雷射來驅動先進的超快光子和粒子源,進而發展創新的下游應用。這些超快光子和粒子源包括(1)同調EUV光束,(2)keV X光束,(3)質子束, (4)兆赫波和中遠紅外光束。100兆瓦雷射的主光束已達3.3 焦耳脈衝能量、33 飛秒脈衝長度、100兆瓦峰值功率的目標規格,其他輔助光束也達到目標,並已設置完成四個實驗站與四個應用站。此設施已開始用於發展特殊設計的高階諧波EUV光源、EUV雷射、電子加速器、質子加速器、離子通道自由電子雷射、兆赫波與中遠紅外光脈衝光源。目前已能產生300 MeV的單能電子束、最高能量達8 MeV的質子束、超過6 keV光子能量的X光束、脈衝能量達3 mJ的中紅外光飛秒脈衝、脈衝能量達6 mJEUV雷射脈衝。其中EUV雷射脈衝的平均光譜亮度與同步輻射相當,而瞬間光譜亮度高達同步輻射的10億倍,中紅外光飛秒脈衝的能量也達到大型自由電子雷射的10倍。

正在進行的計畫分項說明如下:

1. 離子通道自由電子雷射

keVX光自由電子雷射已經是下一代同步輻射的主要發展項目,可用來進行原子分子動態結構之變化等最先進的研究。但是傳統加速器和超導磁鐵陣列都是昂貴且規模很大的設備,例如美國最近完成的直線型加速器同調光源(LCLS),其加速器本身即長達3.2公里。因此我們計畫利用雷射電漿波的加速機制將電子加速器的尺寸及造價大幅降低。此外高功率雷射的有質動力可以在電漿中開闢一個電子匱乏的通道,受到通道中正離子的吸引,電子在這種通道中可以進行橫向的振盪運動,並發出輻射。這個方法是利用電場而非磁場來誘導電子的運動,因此不需要超導磁鐵陣列。電漿通道的寬度只有約十微米,長度只有數毫米,可以將傳統的自由電子雷射縮小1000倍。目前全世界在雷射電漿波電子加速器的發展著重於如何改善其輸出電子參數的穩定度[1][2],主要是透過控制電子注入的過程來改善。另一方面著重於利用電子束產生桌上型X光光源[3],即利用上述產生離子通道的方法,使電子振盪產生X光光源。本計畫將建造一個將控制電子注入和振盪整合在一起的桌上型X光光源,提供除了同步輻射光源外的另一個選項。相較於同步輻射,此光源具有以下的優點:(1)體積小、構造簡單、造價便宜,適合一般大學實驗室;(2)具有飛秒等級的脈衝長度,為解析物質結構甚至分子運動和化學反應的利器;(3)自動與雷射光、雷射衍生光源及電子束同步,可應用於超快激發-探測(pump-probe)實驗。

電子加速器的發展有三個關鍵要素:(1)電漿波激發的最佳化、(2)在電漿波中特定的時空點注入電子、以及(3)在波導中進行電子加速。一個理想的電子加速器是由這三個要素的整合來達成,才能在短距離內產生高能量、窄能寬、超短脈衝的電子束。利用離子通道使電子振盪產生的X光光源品質主要取決於電子束的品質,以及控制電子振盪的能力。本計畫將使用過去發展之控制電漿結構的光學技術來整合優化電子加速以及電子振盪產生X光的過程,達成建造桌上型X光自由電子雷射的目標。

2. X光雷射全像顯微術和繞射顯微術

自從X光被發現以來,由於其具備有透視物體、鑑別組成成份、及探測細微結構的能力,其光源的發展和應用一直受到科學界廣泛的重視。發展具有簡易光學設計、高影像對比與解析度、三維成像能力及超高時空解析度等特性的桌上型X光顯微成像系統,對於生物學、奈米科學與材料科學等應用的研究上,有重要與顯著的影響。然而建造具有高時空解析能力之桌上型X光顯微成像系統,最主要的瓶頸在於缺乏具短波長、高亮度、同調性之X光光源。利用獨到的電漿波導技術,我們在軟X光雷射的發展上已取得重大進展,可產生微焦耳等級的32.8奈米雷射,達到破紀錄的激發效率和光譜亮度。然而波長32.8奈米的光源在廣泛的科學應用上競爭力仍然有限,主要是解析度受到波長的限制。除了預期使用較高數值孔徑的元件來改善外,若光源的波長可再縮短,解析度有希望提高到幾十奈米的程度。以我們已有的成功經驗為基礎,我們將以100兆瓦雷射系統經由光場碰撞游離機制來產生波長為10奈米之Xe26+桌上型X光雷射。目前世界上僅有三個研究團隊曾經產生過此波長的雷射[4-6],但輸出都非常微弱,離應用的層面很遠。我們利用獨到的電漿波導技術,有希望將Xe26+ 雷射的增益大幅提高,產生高能量的輸出。如果能達成這個目標,接著將以此雷射為光源,建造一套具有數十奈米空間解析度與數百飛秒時間解析能力之X光數位全像顯微鏡(digital holographic microscope)X光同調繞射成像術(coherent diffractive imaging)X光數位全像顯微鏡與一般光學顯微鏡功能相似:可以在低放大倍率、廣視野下觀察樣品的全貌,接著以高放大倍率、高解析度模式研究樣品的細微結構。X光數位全像顯微數的主要優點是影像重建準確且快速,而缺點仍在於高數值孔徑之X光成像元件難以取得。X光同調繞射成像術則不受X光元件的限制,解析度原則上只受限於X光波長,然而待測物的結構影像重建需透過複雜的迭代回授運算法,資料分析上較為費時,且可能面臨多重解的問題。以上兩種成像方式,由於使用的光源是具備高同調性之軟X光雷射,除了有可能克服相位重建的問題,更重要是能用於探測結構無序的樣品,突破以往X光繞射的限制。以我們所發展的高亮度X光雷射為光源,可大幅縮短成像的時間,有機會達成以單一脈衝閃光的方式解析快速的結構變化,例如巨型分子的光分解。本計畫所發展的X光雷射光源與成像技術也將支援其他分項計畫,作為激發和診斷的工具。

References

[1] V. Malka et al., Phys. Plasmas 16, 056703 (2009).

[2] G. R. Geddes et al., Phys. Rev. Lett. 100, 215004 (2008).

[3] S. Kneip et al.,Nature Phys. 6, 980 (2006).

[4] H. Fiedorowicz et al., Phys. Rev. Lett. 76, 415 (1996).

[5] D. Ros et al., Opt. Commun. 153, 368 (1998).

[6] P. Lu et al., Opt. Lett. 27, 1911 (2002).

[7] A. B. Borisov et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 36, 3433 (2003).

成果及特色

1.    在電漿波導中以30兆瓦雷射脈衝激發32.8-nm EUV雷射,輸出達每秒1013光子,比前期(2007)成果增強10倍。

2.    使用中研院物理所製作的同心環繞射透鏡來聚焦32.8-nm EUV雷射,用於泉像顯微術,達到186奈米的解析度。

3.    藉由局部改變電漿波導的結構來增加高能電子束在波導中的橫向振盪幅度,以增強電子振盪所發出的X光。

4.    使用電腦模擬找出氣體噴流靶中的橫向密度不均是雷射電漿波電子加速器中電量不穩定的原因。