2025年2月28日,由上海交通大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、清华大学、中国工程物理研究院激光聚变中心团队承担的国家自然科学基金重大项目“激光等离子体尾波加速机制及其技术研究”在北京接受了国家自然科学基金委组织的结题验收。
项目及课题一负责人陈民教授,课题二至四负责人王文涛研究员、鲁巍教授、陈黎明教授分别代表项目组和各课题做了验收汇报,经专家质询和答辩,项目和各课题顺利完成了科研部分的验收。各课题经过财务审计和财务专家审核,顺利完成了财务验收。
过去五年,项目成员针对激光等离子体尾波加速中的电子注入、加速、耦合及辐射应用开展了系统深入的研究,取得了一批具有国际影响力的成果。
1. 针对高能激光尾波加速,建成了时空同步精度达10飞秒和微米级的“重明双百太瓦激光加速和辐射研究平台”;验证了锁相加速机制,电子峰值能量增加1GeV;首次实现了弯曲通道中的相对论激光导引和GeV量级准单能电子加速。
2. 围绕激光尾波加速应用面临的诸多挑战,提出并验证“协同注入”、“啁啾补偿”等多种方案,产生国际最低能散(2.4‰)电子束;实验上测得发射度为0.27mm·mrad。并进一步获得连续、稳定的电子束输出,在国际上首次实现了基于激光尾波加速的自由电子激光辐射放大,辐射中心波长27nm ,能量可达百纳焦量级。
3. 针对激光加速与传统加速器耦合挑战,项目组采用等离子体结构调控方案,实现直线加速器到激光尾波加速器俘获效率近100%的外注入级联加速。
4. 针对激光等离子体太赫兹和中红外辐射转换效率低、调控难度大的问题,项目组提出激光离轴注入等离子体通道,通过线性模式转换实现高场强、可调谐太赫兹辐射新机制,实验验证了线性模式转换产生超强太赫兹辐射,将转换效率提升至0.1%;提出和实现尾波场中红外辐射,获得了5-10微米波长的具有相对论光强的(mJ 量级)的近单周期中红外脉冲。
5. 针对尾波加速电子束的应用,项目组实验验证了基于激光加速的“强束流核激发”,获得比传统束流高5个数量级的峰值核激发率,首次实现了激光尾波加速电子束产生缪子束。
在本项目的资助下,项目成员总计发表各类学术论文100余篇,其中在 Nature, Nature 子刊,PRL 等顶级期刊上已发表论文有18篇。通过本项目研究,显著提升和拓展了激光尾波加速电子束的品质和应用潜力,形成了一支具有国际竞争力的高水平研究队伍,为建设激光等离子体电子加速器用户装置奠定了基础。