激光尾波场电子加速研究获进展

中科院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室徐至展、李儒新研究组于7月15日出版的国际学术期刊《物理评论快报》上发表论文，报道了首次利用电离注入的全光驱动双尾波场级联电子加速器方案，成功实现了电子注入与电子加速的两个基本物理过程的分离与控制，实验获得了能量近GeV的准单能电子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果。该双尾波场级联加速方案的成功实现为未来产生高性能10 GeV量级甚至更高能量单能电子束提供了可行途径，将对超强超短激光驱动的台式化粒子加速器的发展与应用带来深远影响。上述实验研究是在该实验室自行研制成功的飞秒拍瓦级超强超短钛宝石激光实验装置上完成的。为了实现电离注入的全光驱动的双尾波场级联电子加速方案，他们提出了具有特色的两段气体喷流池的新型设计。第一段采用较高密度的氦氧混合气体以实现电离注入，第二段采用较低密度的纯氦气体以实现等离子体尾波场加速。通过独立控制电子注入和电子加速两个基本物理过程并实现电子束在双尾波场间的高效耦合以及激光相对论自导引传输等，成功地将第一级注入器产生的具有麦克斯韦分布（能散度100%）的低能电子束注入到第二级尾波场加速器（气体喷流池长度仅为3 mm）中加速，实验获得了0.8 GeV的准单能电子束，对应的加速梯度达到了187 GV/m的超高量级。审稿人高度评价该论文：“该论文研究了台式化粒子加速器发展中关于级联技术的非常重要且引人关注的课题。论文中报告的实验工作展示了一种可行的解决方案及其发展潜力。”；“据我所知，作者们的实验是第一次展示两级激光驱动的电子加速。……作者报告的结果是相当引人注目并在科学上坚实可靠的。” 超强超短激光驱动的尾波场电子加速器相比于传统的高能粒子加速器而言，极限加速电场高出三个量级以上，为实现小型化的高能粒子加速器提供了新原理和新方法，也将对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能粒子物理等的研究与发展产生重要影响。迄今激光尾波场电子加速研究已取得了显著进展，但国际上广泛采用的传统的单级加速方案仍面临难以克服的障碍，如电子注入和电子加速两个基本物理过程不能分别控制等。而级联电子加速方案具有对电子注入和电子加速两个物理过程分别控制与优化等方面的优点，将是未来实现高性能10 GeV量级甚至更高能的单能电子束的可行方案，特别是对台式化X射线自由电子激光等领域的发展具有重要的推动意义。该研究组报道的首次利用电离注入的全光驱动级联加速方案，实验成功获得能量近GeV的准单能电子束和 187 GV/m的超高加速梯度等突破性成果，为将来发展基于双级乃至多级尾波场级联加速的小型化10 GeV-TeV级电子加速器奠定了关键科学技术基础。该项研究得到国家973计划、国家自然科学基金、国家科技部国家重点实验室专项和中科院重要方向性项目等的支持。（来源：中科院上海光学精密机械研究所）