激光尾波场电子加速器产生千分量级能散高能电子束

1. 导读

中国科学院上海光学精密机械研究所强场物理国家重点实验室研究团队依托于实验室自行研制的高性能200 TW重频激光装置，在千分量级能散高能电子束产生方面取得重要进展，这一成果将极大的推动台式化新型辐射源的研制。相关的研究成果以“Near-GeV Electron Beams at a Few Per-Mille Level from a Laser Wakefield Accelerator via Density-Tailored Plasma”为题于2021年5月发表在Physical Review Letters上。

2. 研究背景

作为世界上最高亮度的X射线相干光源，自由电子激光（FEL）具有超高亮度、超短脉冲、波长连续可调等一系列优势，在原子分子物理学、凝聚态物理学、材料化学、结构生物学等诸多领域具有重大应用价值，极大的推动了人类科学的进步。然而基于传统射频直线加速器的自由电子激光装置动辄数百米甚至数公里，耗资可达数亿乃至数十亿美元，限制了其进一步发展。利用超强超短激光在等离子体中诱发的等离子体波来加速高能电子（LWFA）的方案，其加速梯度高于传统加速器三个量级以上，将极大的促进小型化加速器的研究，世界超强激光和传统加速器实验室纷纷开展这一领域的研究。

实现FEL需要高品质的电子束流，而LWFA所获得的电子束品质，特别是能散度，远落后于传统加速器。由于激光驱动的尾波场中不均匀的高加速电场，使得电子在加速过程中获得很大的能量啁啾，这种啁啾成为电子束能散的主要来源。如何在实验中获得千分量级能散并具有一定电荷量的高能电子束，成为研制紧凑型辐射源中的首要目标。

3. 研究创新点1

简易的单级结构实现协同注入

图1 LWFA装置示意图

为了获得更低的能散度，通过压缩电子注入时间和电荷量是一种常用的方式，但这势必对获得的电子束品质造成影响。该团队设计了一种简单的喷嘴结构（如图1中的喷嘴Nozzle与障碍物Baffle），仅调节喷嘴和障碍物的横向距离便可控制电子束的注入时间。通过对该结构的测量和计算，发现电子的注入过程产生于激光自聚焦和密度梯度下降沿（如图1(c)所示）的协同作用。这种协同作用能够提升电子束注入时刻与流强的可控性，并与后续电子束能散压缩过程相匹配，进而获得较高电量与低能散的电子束。这对于实现台式化的自由电子激光具有重大意义。

3. 研究创新点2

激光自聚焦演化实现去啁啾过程

图2 （a-d）PIC模拟中电子在激光参考系下的密度分布，绿色的实线为传输轴上的纵向加速场。(e-h)对应位置电子的相空间分布。红色阴影为电子的电量分布，蓝色阴影为电子的流强分布，虚线为拟合的电子束的啁啾度。

通过压缩电子束的能量啁啾，可以获得接近切片能散的电子束，在许多理论中都通过构建特殊的等离子体密度梯度来实现。而该团队仅仅依靠喷气形成的密度分布，借助激光自聚焦效应，就可以实现这一过程。利用加速场在靠近空泡尾部的负斜率部分（如图2(b)所示）来对正能量啁啾的电子束进行补偿（如图2(f)-(g)所示），最终在实验中获得全局能散接近片能散的小能散电子束（如图2(d)所示）。整个去啁啾过程可以方便的通过改变激光焦点位置和等离子密度来进行精确调控。

图3 实验中测量得到的电子能谱。(a) 电子束的r.m.s.相对能散在2.4‰–4.1‰。(b) 图(a)中第13发电子束的空间电量积分图。

4. 总结

利用该方案该团队在实验上获得了低能散（~0.2%）高能（~820 MeV）的电子束流（如图3所示），并将激光尾波场加速所获得电子束的最高亮度纪录提升了2-3倍，该项成果是台式化激光电子加速器领域首次将高能电子束能散压缩至千分之二，对于实现台式化激光尾波场加速器的应用具有重要价值。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院先导B类、中科院青促会和上海市自然科学基金等项目的支持。