极陡峭密度梯度下的激光尾场电子注入机理研究

Ultra-short Ultra-intense laser propagating in the underdense plasma can drive plasma electrostatic waves with very large amplitudes (E～100GV/m), and thus can accelerate electrons to ultrahigh energies within a short distance, making feasible low-cost compact electron accelerators. In laser wakefield acceleration, to generate high quality electron beams, the background electrons should be injected into plasma wave at suitable phase through external controllable injection means. Compared to traditional slowly-varied density gradient injection, the extremely sharp density gradient injection is better to realize the electron injection in a short time. As a result, the injected electrons are highly concentrated in the dynamic phase space, so it is more favorable to generate the high quality electron beam. In the current application project, we will carry out systematic theory and simulation studies on the extremely sharp density gradient injection scheme. In detail, we will study the effect of extremely sharp density gradient on the plasma wave structure, the phase space dynamic of injected electrons, the scheme of electron injection and the effects of density gradient parameters etc., in order to optimize the electron beam quality. Finally, we will try to carry out the primary experiment studies on XingGuang-III laser facility by using a plasma channel, whose wall has a typical sharp density gradient characteristic.

超短超强激光在稀薄等离子体中传播可驱动极强的等离子体静电波（E～100GV/m），在短距离内将电子加速到非常高的能量，可实现低成本、紧凑型的新型电子加速器。在激光尾场加速中，利用可控的外部注入方式将背景电子注入到等离子体波的合适相位是产生高品质电子束的关键环节。相比于传统的缓变密度梯度注入方式，极陡峭密度梯度更加有利于实现电子的瞬时注入，并使得注入电子在相空间中高度集中，有利于提升电子品质。本项目将针对极陡峭密度梯度下的激光尾场电子注入机理开展深入的理论和模拟研究，重点分析极陡峭密度梯度对激光尾波场结构的影响，研究注入电子在新激光尾波场结构中的相空间动力学过程，理解电子的注入机理及陡峭密度梯度参数的影响，优化电子束流品质。最后，本项目拟探索利用皮秒激光形成的等离子体通道壁所具有的典型陡峭密度梯度结构，在星光III激光装置上开展该机制的初步实验演示。

激光尾波场加速器是一种基于超强超短激光的新型电子加速技术，与传统加速器相比，具有更高的加速梯度，更短的加速距离，可以在厘米的加速尺度内实现GeV电子的产生。本项目以激光尾波场加速中电子注入机理为研究对象，以产生大电量、准单能的高品质电子束为研究目标，针对电子在等离子体空泡中的相空间动力学过程展开分析，建立了电子注入过程与电子束品质之间的关联模型，提出了两种产生高品质电子束的电子注入方案，分别是用于缩短电子束脉冲宽度的离轴注入方案和用于改变尾场结构的傍轴注入方案；此外基于这一关联模型，我们对极陡峭密度梯度下的电子注入过程及内在物理机理开展了深入的理论和模拟研究，分析了等离子体通道深宽比及壁厚对电子注入过程的影响，完成了对等离子通道参数的优化，理论上实现了大电量、准单能的高品质电子束的产生；最后，基于星光III装置，开展了皮秒激光驱动的等离子体通道的实验研究，获得了等离子体通道的深宽比、壁厚等信息。本项目的实施深化了对激光尾波场加速中电子注入机理的理解，提出了多种高效的电子注入方案，为开展激光尾场加速优化设计提供很好的理论指导，具有重要的现实意义。本项目发表SCI论文3篇，形成总结报告1项。