X射线/激光交叉相关中电子空穴等离子体研究

X-ray/optical cross-correlation based on nonlinear optical phenomenon such as X-ray induced reflectivity change and X-ray induced refractive index change becomes an important issue in frontier research recently. However the study on the inherent mechanism of X-ray/optical cross-correlation is still inadequate. This project utilizes Electron-hole plasma model to construct a complete physical picture for X-ray/optical cross-correlation with X-ray ultrafast ionization and relaxation process. The microscopic process X-ray ultrafast ionization and the macroscopic phenomena transient change of the optical parameters can be connected with laser pulse interaction with electron-hole plasma. The inherent physical mechanism of X-ray/optical cross-correlation can be easily explained and understood using our method. Furthermore it is first proposed to carry out X-ray pump/ optical probe experiment and monitor the dynamics of electron-hole plasma on laser facility in China. The X-ray diagnostics on the laser facility in our country has already grown mature, and we can utilize our technology to participate the international frontier research. This project research will help scientists to have a good grasp of the physical picture for X-ray/optical cross-correlation and understand the mechanism of X-ray pulse interaction with material more clearly. Moreover this project will also offer new methods for X-ray nonlinear optics research.

基于X射线光致反射率变化、光致折射率变化等非线性光学效应的X射线/激光交叉相关，是国际前沿研究关注的重要课题，而其中作用机理问题还缺乏系统研究。本项目拟利用电子空穴等离子体模型，将X射线脉冲超快离化，弛豫过程等关键过程有机结合起来，形成完整的X射线/激光交叉相关作用的物理图像。通过激光与电子空穴等离子体相互作用，将X射线超快离化效应这一微观物理过程和材料光学参数瞬态变化这一宏观效应联系起来，揭示X射线激光/交叉相关中非线性光学效应的物理机制。在综合考虑国内X射线诊断技术的基础上，在国内首次提出利用激光等离子体装置实施X射线泵浦\光学探测实验，对电子空穴等离子体的时域演化进行动态测量的研究思路，充分利用已有工程技术条件参与国际前沿研究。本项目研究有助于深刻理解X射线/激光交叉相关过程中的物理图像，更好理解强X射线脉冲与材料作用产生非线性光学效应的机理，进一步丰富X射线非线性光学的研究方法。

本课题研究针对聚变物理以及高能量密度物理试验中的X射线超快探测的工程需求，研究探索X射线/激光交叉效应用于X射线脉冲超快探测的可行性，提出了一种基于电子空穴等离子的X射线/激光交叉相关物理模型描述X射线与半导体材料的超快作用过程，掌握了基于X射线/激光交叉相关效应的X射线超快探测的基本机理，成功研制了X射线探测器原理样机和工程样机，在我国大型激光装置上获得了X射线/激光交叉效应信号。. 课题研究建立了基于电子空穴等离子的X射线/激光交叉相关物理模型，描述X射线/激光交叉相关作用内在物理过程，获得了X射线脉冲辐照下半导体材料的载流子响应曲线。描述X射线/激光交叉相关中光调制作用和宏观光学参数瞬态变化的机制，确定影响X射线/激光交叉相关效应的各种因素。.实验研究方面，根据X射线/激光交叉相关物理模型设计了半导体试验材料样品，建立了基于激光等离子体装置的X射线泵浦\光学探测实验方法，在申请单位所在的的神光装置上进行了X射线辐照试验，获得X射线泵浦电子空穴等离子体动态特性。. 课题组通过本课题研究掌握X射线作用半导体光学响应的仿真能力，并在超强X射线、材料相变临界行为等前沿、基础领域开展相关数值模拟与理论研究。研制了基于电子空穴等离子的X射线/激光交叉相关原理的超快芯片，设计研制了X射线探测器原理样机和工程样机，在神光激光装置聚变试验X射线脉冲测量中获得的重要数据，实现了研究成果向工程技术的初步转换。. 课题研究过程中共提出专利7项，发表科技论文2篇，提交科技论文5篇，培养硕士研究生3名，其中中国工程物理研究院1名，四川大学2名，指导本科生相关毕业设计3名（四川大学）。四川大学课题组引用博士后1名参与相关工作。课题研制的X射线探测器作为“高功率脉冲辐射场综合诊断系统”中重要子系统，完成了成果评价，获得四川电子科学技术奖三等奖，在搜狐网、四川省电子学会官网等媒体进行了报道展示。相关研究成果应用于某重大专项《基于**效应的X射线**相机研究》，该课题由国防科技大学承担，中国工程物理研究院激光聚变研究中心和四川大学共同参与。