国际上首次实现相对论超强激光的稳定弯曲导引和电子加速

01 导读

近日，上海交通大学和武汉大学研究人员在激光尾波级联加速电子方面取得了关键性的突破，利用上海交大激光等离子体实验室200 TW超短超强激光装置，在国际上首次实现了曲率渐变的弯曲等离子体通道对超强激光的稳定导引，并观察到弯曲通道内的激光尾波加速。

相关成果以“Experimental Demonstration of Laser Guiding and Wakefield Acceleration in a Curved Plasma Channel”为题于2023年5月23日发表在Physical Review Letters上，并被选为“物理亮点（Featured in Physics）”和“编辑推荐（Editors’ Suggestion）"。

02 研究背景

相对论强度的超短脉冲激光在气体密度等离子体中可以激发出大振幅等离子体尾波，其承载的电场强度（~GV/cm）比射频加速腔场强高三个量级。科学家们很早就提出利用电子在该尾波中冲浪，从而获得加速。如今，利用单束激光已经可以将电子从静止能量加速到78亿电子伏特的高能。

然而要想获得未来对撞机所需的1万亿电子伏特的超高能量，则需要利用多束激光来激发尾波，进而实现级联加速，这是该领域当前面临的重大挑战，欧盟和美国均将其列入粒子物理和加速器物理战略研究报告。

2016年美国劳伦斯伯克利国家实验室通过引入等离子体镜对超强激光进行反射导引，并采用等离子体透镜对电子束进行聚焦再注入，首次实验展示了级联激光尾波加速的可行性，相关文章发表在【Nature, 530, 190 (2016)】上。然而由于等离子体透镜的色散性质等因素，实验中该方案达到的电子耦合效率为3.5%。

为解决上述问题，2018年上海交大陈民团队与合作者提出基于弯曲等离子体通道激光导引的新型激光尾波级联加速方案【PRL,120,154801 (2018)】，由于舍弃了等离子体透镜色散元件，此方案理论上不同级联加速段之间的电子束耦合效率可达100%。

2019年在国家自然科学基金重大项目支持下，该团队开展该方案的实验验证研究。实验中，研究团队与武汉大学曹强教授团队合作，利用飞秒激光刻蚀技术，在蓝宝石基片上成功制备出曲率渐变的弯曲毛细管。该毛细管具有极高的耐烧蚀性，可以承载等离子体的高温和强激光的烧蚀。

随后团队与上海交大刘振宇教授团队合作，合理设计了毛细管气路。通过高压脉冲放电，团队实现了弯曲等离子体通道的制备，并就通道参数对气压、电压、放电延迟等参数的依赖关系开展了系统性的研究和优化，发展了横、纵向等离子体密度的单次测量方法，搞清了激光和等离子体通道参数，以及激光入射参数对相对论强度激光导引的影响；成功实现了在3cm长度内将聚焦强度超过10²⁰ W/cm²的激光脉冲偏折10.4°，且激光束质心的横向振荡得到抑制，激光束可被平稳和高品质地导引到直线段。在成功实现强激光弯曲导引的同时，也在国际上首次实现了弯曲等离子体通道内的尾波场激发，并观察到近GeV能量的准单能电子加速（如图1所示）。

图1 曲率渐变等离子体通道对强激光的导引及不同入射参数对尾波加速的影响

04 总结与展望

该项研究是新型级联尾波加速方案的第一步关键性验证。该团队发展的弯曲等离子体通道除了应用于级联电子加速，也有望用于小型化激光等离子体同步辐射光源和电子导引及聚焦装置。未来，研究团队将在上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室即将建成的200+300 TW双百太瓦激光等离子体研究平台上开展面向高能加速的前沿科学研究，以及紧凑型等离子体光导引和电子束聚焦透镜的应用研究。

Physical Review Letters期刊审稿人对该工作给出了高度评价，“这是第一个弯曲等离子体通道内激光导引和电子加速的实验验证。该研究有望提供一个完美紧凑的解决方案，开辟通向多级激光等离子体加速器之路。级联是获得超过10GeV电子能量的必经之路，在未来有可能建造出一个对高能物理有意义的紧凑型加速器”；“该文中所用的特殊设计的弯曲等离子体通道，有潜力应用于其它领域，如同步辐射源、主动型等离子体透镜等”。

论文第一作者为上海交通大学物理与天文学院的博士研究生祝昕哲和副研究员李博原，通讯作者为刘峰副研究员、陈民教授和张杰院士。该工作得到国家自然科学基金重大项目、杰出青年科学基金项目和中科院先导项目的资助，计算资源得到上海交通大学Π超算中心的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.215001

Physics上的摘要报道：

https://physics.aps.org/articles/v16/s74