超亮高能 γ 射线的高效产生是推动光核物理、强场量子电动力学（QED）发展的核心基础。全光逆康普顿散射（ICS）是桌面型高能 γ 光源的创新技术路线，主要分为双激光对撞方案与单激光等离子体镜反射方案两类。双激光方案可实现强非线性多光子散射，但微米-飞秒级严苛的四维时空同步的苛刻要求导致所产生辐射的稳定性很差，激光-辐射能量转换效率仅维持在10-6-10-5；单激光等离子体镜（PM）方案依靠自对准结构无需同步，重复稳定性更高，适用于动态成像、CT 无损检测等场景，但存在反射激光光斑与电子束空间重叠度低、激光能量利用率受限的固有缺陷。后人提出的定制聚焦型等离子体镜需要精密光学设计、逐发空间对准，易受激光尾场加速不稳定性干扰，依然无法从根本上突破转换效率瓶颈。从而极大限制了强场 QED 实验、核天体物理等方向的进一步发展。

为此，上海交通大学物理与天文学院陈黎明教授提出一种镀膜等离子体镜全新方案，利用低密度金属镀膜结构在激光作用下形成凹面等离子体临界面，实现反射激光脉冲的自聚焦，聚焦后增强的微米尺度激光脉冲与尾波场自引导的微米尺度电子束高效对撞，可大幅稳定地提升激光与电子束的局域相互作用强度。团队依托怀柔综合极端条件实验装置（SECUF）100TW、400TW 两级激光开展系统实验，采用 28 fs、800 nm 超短超强激光驱动尾场加速（LWFA）产生 200 MeV、400 MeV 两种高能电子束，分别搭建无镀膜平面等离子体镜与硫化锌（ZnS）镀膜等离子体镜对照实验组进行了实验。

实验结果表明，镀膜结构会在激光前沿电离后形成密度梯度等离子体，中心区域激光光致透明穿透更深，自发生成弯曲反射波前从而实现光学聚焦；100 TW 激光条件下，镀膜方案提高了电子感受到的归一化激光强度a0，光子产额提升 6 倍，逆康普顿临界光子能量拓展至 39 MeV，激光 – 辐射转换效率相比无镀膜镜面提升近1个数量级；升级至 400 TW 高功率模式后，电子束能量最高可达 1 GeV，单发射光子产额达8×109，临界光子能量突破 60 MeV，截止光子能量接近 400 MeV，转换效率提升至10-3量级。粒子模拟证实，自发聚焦带来更强的多光子非线性散射效应，高次谐波显著增强，从根本上解决了等离子体镜方案激光能量利用不足的短板。

图：上图显示镀膜（上）和无膜（下）情况下电子束与等离子体镜反射激光的对撞情况；下图显示镀膜情况下能量转换效率与其他实验结果的对比增强。

该镀膜等离子体镜方案结构简单、鲁棒性强，无需复杂光学调校，突破了单激光逆康普顿散射长期存在的低效率瓶颈。相较之前的双激光、普通等离子体镜方案，本方案利用一种非常简单的方法即同步实现了高稳定性、高光子产额/光子能量以及高能量转换效率，突破关键性能的瓶颈使全光ICS成为了一种真正的光源。该紧凑型超亮高亮度 γ 射线源一方面可用于厚金属构件无损探伤、高密度材料检测、核共振荧光、核嬗变等核物理与工业检测应用；另一方面，装置可构建高密度等离子体、GeV 电子、超强电磁场耦合的极端物理环境，为磁星、伽马暴、超新星等极端天体物理环境模拟提供全新实验平台。同时，该镜面表面改性思想也为偏振、涡旋、飞行聚焦等激光调控技术提供新思路，推动强场超构表面光学调控技术发展。

该项研究成果以“Enhanced Inverse Compton Scattering via Spontaneous Focusing induced by Coated Plasma Mirror”为题发表于【Nature Photonics (2026)】，上海交通大学物理与天文学院博士生胡曦辰、祝铭阳为共同第一作者，上海交通大学物理与天文学院陈黎明教授、中科院物理所李毅飞高级工程师为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院战略性先导专项等项目资助，全部实验依托怀柔综合极端条件实验装置（SECUF-D3）完成，数值计算依托上海交通大学高性能计算集群开展。