项目介绍

激光尾波具有高出传统加速器三个量级的加速梯度，有望成为未来紧凑型高能对撞机、自由电子激光、以及面向科学、医学和工业应用中新型辐射源的潜在加速方案。 

本项目针对激光尾波加速中的注入、加速、耦合及辐射应用开展系统深入的研究，探究尾波级联加速和单级锁相加速，进一步提升尾波电子加速的能力；通过高品质的全光注入和外注入，以及加速结构优化和电子相空间操控，实现能量去啁啾，进一步提升电子束的品质；通过对纵向等离子体密度调制，利用光子减速机制实现强中红外脉冲辐射，利用模式转换机制实现强太赫兹辐射；开展尾波加速电子束与强光对撞的非线性汤姆逊散射实现高频伽玛辐射源。 

项目由上海交通大学、清华大学、中国科学院上海光学精密器械研究所和中国工程物理研究院激光聚变中心的优势力量组成的团队承担，负责人为上海交通大学陈民教授。通过这些理论和实验研究将进一步提升和拓展激光尾波加速电子束的品质和应用潜力，解决其在超紧凑辐射源和高能物理应用中的关键问题；显著提升我国在新型激光加速和应用领域的创新能力。形成一支一流的研究队伍，为建设激光等离子体电子加速器用户装置奠定基础。

1. 面向高粒子能量的激光尾波级联和锁相加速研究

    (1)利用特殊等离子体通道实现高效锁相加速，提升激光能量利用率。 

    (2)利用弯曲等离子体通道，对激光和电子束同时平稳导引，实现高效级联加速。 

2. 面向应用需求的激光尾波场电子加速研究 

    (1)提升电子束流稳定性，缓解电子束传输难、控制难、应用难的窘迫现状。 

    (2)压缩电子束能散，实现激光尾波场电子加速千分量级能散度。 

    (3)压缩电子束发射度和空间尺寸。 

3. 激光尾波加速器外注入与相空间操控研究 

    (1) 利用特殊设计的纵向等离子体结构实现从传统加速器系统到激光尾波加速器系统的相空间匹配，获得高效率的外注入； 

    (2) 利用特殊设计的等离子体结构作为束流相空间操控元件实现对束流品质的操控与提升。 

4. 激光尾波场加速驱动的新型辐射源研究 

    (1) 实验研究非线性汤姆逊散射过程中重要且基础的物理机制； 

    (2) 验证线性模式转换产生THz辐射的物理机制，拓展辐射频谱、强度等参数，为开拓THz辐射应用奠定基础；发展全新激光尾场诊断手段，为激光尾场加速器的发展提供支持； 

    (3) 通过等离子体结构优化，对尾波场加速中伴生的光子减速过程进行研究和控制，实验验证该方案并产生mJ能量的中红外超快辐射。

面向未来TeV级的激光尾波加速器的基础研究，和数十GeV量级的电子束辐射源的准备工作，攻坚激光等离子体加速器由短距离小能量到长距离大能量的突破，需要对不同加速端寻找可靠的级联条件，目前实验上成功进行的级联加速获得了100MeV左右的能量增益，但其级联效率还非常低，前级电子束仅有3.5%的电子被耦合到下一级，要想实现真正长距离的多级耦合，级联效率至少需要提升一个数量级，由上海交通大学罗辑博士和陈民教授提出的弯管导引的级联方案，被加速电子具有80%以上的重注入率，耦合效率在国际上领先。同时，为了更好地利用每一级通道的长度，提升级联加速的稳定性，需要为单级通道的加速方案寻找最适宜条件，利用锁相加速将电子在每一段距离加速到最高的能量。 

由上海交通大学牵头，中国科学院上海光学精密机械研究所参与。其中上海交通大学主要负责理论模拟和实验；中国科学院上海光学精密机械研究所负责仪器制备。 

面向应用需求，探索实现台面化的电子加速器和x射线γ射线辐射源。应用激光尾场加速自从1979年被提出以来，经过十几年的发展，获得的电子其各方面的品质，例如能散度和能量等都有了较大提升，但还落后于发展了几十年的传统加速器产生的电子束流品质，这大大限制了其应用价值。除了追求更高的能量外，迫切需要实际应用的方向的引领，展现现实化、小型化应用的可能，提供稳定的高品质电子束。为此，基于多年在激光尾波加速的实验积累，准备从提升电子束稳定性、压缩电子束能散、降低电子束发射度三方面入手，对激光尾场电子加速的整个物理过程进行详细的理论和实验研究，全面优化电子束的各项性能指标，为最终实现激光电子加速技术的应用需求提供保障。这不仅在本重大项目中起着重要的作用，也可以为本项目中其它的课题提供优质的电子源，同时对本领域的发展也有着重要的意义，将大大推动这种台式化激光电子加速器的应用化进程。 

由中国科学院上海光学精密机械研究所牵头，上海交通大学参与。其中上海交通大学主要负责理论模拟；中国科学院上海光学精密机械研究所负责和实验。 

发展适合实现传统加速器到激光尾波加速器高效率外注入的纵向等离子体结构，以及通过传统加速器束流压缩与相空间操控获得适合实现高效率外注入的飞秒级超短电子脉冲，在此基础上开展外注入实验研究，获得超过90%的耦合效率，并通过发展能谱与相空间诊断等束测手段深入检测相空间匹配的综合效果；发展适合实现基于束流自尾场相空间操控的等离子体结构，通过束流条件可控的直线加速器束流深入研究该方案的相空间演化及去啁啾效果，确认该方案具有将1%级能量啁啾降低至0.2%以下能力，并在此基础上将该方案应用于激光尾波加速器产生的高能量啁啾束流。 

由清华大学牵头，中国工程物理研究院激光聚变中心参与。其中清华大学主要负责外注入与相空间操控；中国工程物理研究院激光聚变中心负责高能量啁啾束流。 

重点研究强激光场中非线性汤姆逊散射中电子动理学过程，探索多光子吸收过程的物理机制，产生20MeV以上高能γ射线光源产生等重要科学问题，同时尝试开展该光源的物理应用研究；深入开展基于尾波场中光子减速机制的中红外脉冲产生与测量研究，获得毫焦量级5微米以上波长的中红外脉冲；发展单发探测手段，在实验上获得基于激光尾场激发的新型高功率THz辐射源、中心频率超过5THz，探测通过测量THz辐射波形和频率来诊断激光尾场激发，为激光尾场加速研究提供新的诊断手段。 

由上海交通大学牵头，清华大学参与。其中上海交通大学主要负责高能γ射线光源和THz辐射源的产生；清华大学负责中红外脉冲的产生与诊断。