基于双束激光产生偏振的高亮度betatron硬X射线源

Ultra-short X-ray pulses are an essential tool for exploring transient structures and ultrafast dynamics of matter. Compared with the traditional accelerator's radiation source, laser-driven X-ray source with characteristics of mesa, ultra-short, ultra-micro, high beam density, bringing great flexibility and high economic efficiency for practical applications. In particular, betatron radiation based on laser wakefield acceleration (LWFA) has been a hot area of research due to its high spatial coherence, high photon yield and energy. However, the current betatron X-ray sources are based on a single laser pulse, the radiation efficiency, polarization, controllability and stability are not good enough..The project intends to use two laser pulses propagating in the same direction, one beam drives a wakefield to capture and accelerate electron beam, and the other beam resonates with the accelerated electron beam. Combining with stable and controllable ionization injection mechanism to significantly increase the photon yield and photon energy of betatron radiation. The polarized high-brightness hard X-ray source with critical energy (~100 keV), photon yield (>10^9) can be generated stably by optimizing the interaction conditions. It can be used as an effective supplement for synchrotron radiation source in the field of ultrafast time-resolved detection.

超短的X射线脉冲是探索物质瞬态结构和超快动力学过程的一个基本工具。相比于传统加速器的辐射源，激光驱动的Ｘ射线源具有台面化、超短、超微、高束流密度的特点，为实际应用带来了极大的灵活性和极高的经济性。其中，基于激光尾波场加速（LWFA）产生的betatron辐射是研究热点之一。但是，目前的betatron X射线源都是基于一束激光脉冲产生的，在辐射效率、偏振性、可控性及稳定性上仍不够理想。.本项目拟采用同向传播的两束激光脉冲，一束驱动产生尾波场，捕获、加速电子束，另一束与被加速电子束共振。结合离化注入这种稳定、可控的注入机制，以期显著地提高betatron辐射的光子产额和能量。通过优化相互作用条件，稳定地产生光子临界能量（~100 keV）、产额（>10^9）、偏振的高亮度硬X射线源，可以作为同步辐射光源在超快时间分辨探测领域的有效补充。

大型同步辐射光源的脉宽较长，不能满足许多超快过程的研究需求，其有限的机时也不能满足巨大的用户需求。激光驱动的Betatron X射线源具有飞秒脉宽、微米源尺寸、高亮度等特点，有望成为新一代的台面化超快光源。之前的研究主要是基于单束激光驱动的尾波场加速来产生Betatron辐射，在转换效率和可调控性方面仍存在很多不足。针对于此，本项目的主要研究内容是利用单/双束激光探索物理机制，来提高Betatron辐射的转换效率和可调控性，包括：调控加速过程中电子的动力学行为、提高单束光Betatron辐射的效率和偏振可调控性、探索双束光增强和调控Betatron辐射的可行性。 .本项目团队对单/双束激光驱动的Betatron辐射进行了详细的模拟和实验研究，取得了一系列重要进展，主要成果有：.电子加速方面：基于电离注入产生了参数非常稳定的电子束，为稳定地产生次生辐射源奠定了基础。提出了一种可编程调控电子指向的方法，实现了电子指向微弧度级别的调控，解决了在全光逆康普顿光源、FEL等应用中的精准注入问题。提出了利用非对称激光焦斑的演化来调控加速过程中电子横向运动的方法，使电子进行螺旋的横向运动，可产生带有轨道角动量的Betatron辐射。.单束光Betatron辐射：利用高功率、亚ps激光与低密度气体靶作用，基于自调制激光尾波场加速，产生了100nC级的电子束，X射线产额提高至10^12量级。利用PW、fs激光的超强电场和近临界密度靶的高吸收率，基于直接激光加速机制（DLA），将Betatron辐射的转换效率提高了1-3个数量级。利用电离注入的电子在加速过程中与圆偏振激光的谐波共振，产生了圆偏振度达0.8的高亮度X射线辐射，且调节激光偏振可以调控辐射的偏振性。.双束光Betatron辐射：利用PIC数值模拟验证了双束光增强Betatron辐射的方案，大大提高Betatron 辐射的光子能量和辐射效率，产生了Ec=820keV的高亮度、偏振的超硬X/γ射线，且利用第二束激光可调节辐射的光子能量。在实验中进行了原理性验证，利用可编程的声光调节器将3J的主脉冲调制成95%驱动脉冲（a1=1.77）+5%振荡脉冲（a2=0.4），在延时为30-40fs时，Betatron辐射强度得到了增强。