We demonstrate that a beam of x-ray radiation can be generated by simply focusing a single high-intensity laser pulse into a gas jet. A millimeter-scale laser-produced plasma creates, accelerates, and wiggles an ultrashort and relativistic electron bunch. As they propagate in the ion channel produced in the wake of the laser pulse, the accelerated electrons undergo betatron oscillations, generating a femtosecond pulse of synchrotron radiation, which has keV energy and lies within a narrow (50 mrad) cone angle.

One of the major goals of research for laser-plasma accelerators1 is the realization of compact sources of femtosecond X-rays2,3,4. In particular, using the modest electron energies obtained with existing laser systems, Compton scattering a photon beam off a relativistic electron bunch has been proposed as a source of high-energy and high-brightness photons. However, laser-plasma based approaches to Compton scattering have not, to date, produced X-rays above 1 keV. Here, we present a simple and compact scheme for a Compton source based on the combination of a laser-plasma accelerator and a plasma mirror. This approach is used to produce a broadband spectrum of X-rays extending up to hundreds of keV and with a 10,000-fold increase in brightness over Compton X-ray sources based on conventional accelerators5,6. We anticipate that this technique will lead to compact, high-repetition-rate sources of ultrafast (femtosecond), tunable (X- through gamma-ray) and low-divergence (∼1°) photons from source sizes on the order of a micrometre. Scientists demonstrate a Compton-based electromagnetic source based on a laser-plasma accelerator and a plasma mirror. The source generates a broadband spectrum of X-rays and is 10,000 times brighter than Compton X-ray sources based on conventional accelerators.

Gas-filled plastic spherical shells have been imploded using the 60-beam OMEGA laser. The same laser pulse was used as in a previous experiment, which demonstrated the dynamic formation of a shell by irradiating a homogeneous plastic foam sphere [Igumenshchev et al., Phys. Rev. Lett. 131, 015102 (2023)]. In the present experiment, the shell initially implodes, bounces, and expands; a new shell then forms and undergoes a second implosion. Analysis of x-ray self-emission-streaked images and sequences of 2D x-ray self-emission framing camera images show shell evolution that is in reasonable agreement with 1D simulations. Shell integrity and symmetry are well maintained until the formation of the new shell. The final implosion, instead, is affected by substantial asymmetries.