激光尾波场产生的高亮度高能电子束流性能优化

Laser wakefield electron acceleration (LWFA) as a study focus in laser-matter interaction field, has very broad development prospects. Last decade with the development of ultraintense ultrashort laser technology, many breakthroughs for LWFA have been made in the world. But so far, the electron beam qualities from LWFA, especially the stability, the energy spread and the divergence angle, etc, was behind those from the conventional accelerator experienced decades of development. Because the instabilities of the laser pluses, the fluid targets and the laser plasma in intense relativistic, a great deal of theoretical and experimental studies need to be done in measuring means, control methods and parameters selection. In this project, we will study the effect of the electron injection mechanism and its special density distribution on the improvement of electron beam quality, and design a new Michelson interferometer measurement system to monitor the interaction process, and optimize the laser performance and density distribution for extending the acceleration length, and control the performance of the finally produced electron beam. Especially, for requirement of the new table radiation optical source, we aim to obtain the corresponding experimental schemes and specific parameters of the ideal electron beam in order to strengthen the application of the laser electron acceleration.

激光尾场电子加速是激光与物质相互作用领域的研究热点，具有非常广阔的发展前景。近十年随着超强超快激光技术的不断发展，激光尾场电子加速不断在世界范围内取得一些突破性进展。但到目前为止，激光电子加速产生的电子束流品质特别是稳定性、能散度和发散角等方面一直难以追上发展了几十年的传统加速器的脚步，这主要是因为脉冲激光、流体靶以及强相对论下激光等离子体的不稳定性等原因造成的，需要在探测手段、控制方法、参数选取等方面进行大量的理论和实验研究。在本课题中，我们将详细研究注入方式和特殊密度分布对电子束流品质的改善，设计新型迈克尔逊干涉测量系统监测整个加速过程，优化激光性能和密度分布延长加速长度，控制最终产生的电子束的性能——将更切合新型台式化辐射光源需求，获取较为理想的电子束流所对应的实验方案和具体参数，拓展激光电子加速的应用。

激光尾场电子加速是激光与物质相互作用领域的研究热点，具有非常广阔的发展前景。近十年随着超强超快激光技术的不断发展，激光尾场电子加速不断在世界范围内取得一些突破性进展。但到目前为止，激光电子加速产生的电子束流品质特别是稳定性、能散度和发散角等方面一直难以追上发展了几十年的传统加速器的脚步，这主要是因为脉冲激光、流体靶以及强相对论下激光等离子体的不稳定性等原因造成的，需要在探测、控制、新方法等方面进行大量的理论和实验研究。.本项目从实验方案优化设计、电子注入和加速过程诊断、失相长度控制等三方面开展工作，对激光尾场电子加速的整个物理过程进行详细的实验和理论研究，从而控制最终产生的电子束的性能。.通过设计特定的等离子体密度分布，来控制激光的自聚焦过程，进而对尾波场的非线性程度进行了调节，使得纵向加速场在激光散焦过程中能够从拥有跃变结构的高度非线性状态减弱为锯齿状结构的弱非线性态，该锯齿状加速场靠近空泡尾部的部分具有负斜率，可以用来对正能量啁啾的电子束进行补偿。通过控制激波与激光焦点位置可以使激光的自聚焦过程与电子的注入相位相匹配，从而保证电子在密度下降沿结束时注入。在加速场结构演变为锯齿状的过程中，电子束能够滑移回空泡尾部，从而实现对电子束的啁啾补偿。该方案利用单级的气体池结构即可实现近GeV，能散低至2.4‰的电子束，这也是目前国际激光尾波场加速电子领域中所获得的最小能散，为台式化辐射源的研制提供了基础。.依托于自行研制的具有国际领先水平的高性能重频超强超短激光装置，在激光驱动台式化自由电子激光的研制方面取得突破性重要进展。研究团队通过优化激光尾波场加速的电子束品质，并结合自行设计的紧凑型束流传输与辐射系统，在实验上首次实现了基于激光尾波场加速的X射线波段自发辐射放大输出，辐射中心波长27nm，辐射能量可达百纳焦量级，完成了台式化自由电子激光原理验证。作为封面文章发表于《自然》（Nature）杂志。