飞秒相对论激光驱动粒子束的优化和辐射

High demand on energy, energy spread, production quantity, energy conversion efficiency, and other parameters, is stressed in practice for electron beam and ion beam generated by the relativistic femtosecond laser. So, it is meaningful to study the optimizing methods of particle beam generation based on the existing acceleration schemes. Morover, the development of high qulity electron beam combining the fields in bubble provides possible conditions to generate x-ray. In this project, the following topics will be studied: 1) the effect of laser wavelength (frequency) on proton (ion) acceleration driven by light pressure; 2) ionjection and acceleration by optimizing plasma density gradient in the range of light pressure acceleration and bubble acceleration driven by ultra-intense laser; 3) in the bubble acceleration range, realizing easier injection and better acceleration performance for particles, including electrons and protons, by modulating laser phase; 4) the trapped or externally injected electrons are accelerated to high energy in laser-driven bubble, radiation performance of betatron oscillation of the electrons beam under the action of the transverse electric field in the bubble; radiation when the energetic electron beam accelerated in the bubble obliquely injects the TNSA field; 5) when electrons are acted by the bubble field and laser field of oblique incidence, modulation of electron trace with the incident laser, and its radiation.

飞秒相对论激光驱动产生的粒子束（电子和离子）在实际应用中对其性能如能量、能散度、产额、能量转换效率等都有较高要求。因此，在目前加速机制基础上，研究产生粒子束的各种优化方案是非常有意义的。另外，高性能电子加速的发展结合空泡内场环境为x射线的产生提供了条件。本项目主要研究：1）激光波长（频率）等参数对光压驱动质子（离子）加速的影响；2）超强激光驱动光压和空泡联合机制下，通过优化密度梯度实现质子（离子）注入加速；3）空泡机制下，通过调制激光相位实现粒子（包括电子和质子）更容易注入，获得更好的加速；4）被捕获或者外界注入的电子束在激光驱动形成的空泡内被加速到很高能量，同时在空泡内横向电场的作用下电子束betatron振荡的辐射特性；空泡加速获得的高能电子束斜入射到TNSA场中的辐射特性；5）空泡内电子在空泡场与斜入射的激光脉冲场共同作用下，入射激光变化对运动轨迹的调控，以及相应的辐射特性。

本项目主要研究了相对论飞秒强激光驱动时粒子加速优化和其中的辐射现象。（1）粒子加速主要研究了电子加速和离子（质子）加速，针对电子加速，考虑了CPA技术的提出者G. Mourou教授近期提出的TFC技术获得周期量级的超强X射线激光方案，基于目前最成熟的电子加速方案—尾波场加速机制，理论研究了超强X射线激光在纳米管中驱动产生超过加速梯度的尾波场对电子的加速，加速场可提高3个数量级，可获得非常紧凑的高能电子束。针对离子（质子）加速，为了进一步提高质子束能量，我们针对静电激波加速机制和光压加速机制，分别研究了级联加速的可能性，均获得较好的结果。尤其是针对光压加速机制，提出采用短波长激光，如三倍频激光可获得更好的加速效果。针对目前即将实现的10PW甚至100PW的超强激光，我们研究了尾波场加速质子的进一步优化，提出了质子束在尾波场中横向约束并获得稳定加速的方案，如采用双脉冲驱动加速，采用LG光产生的特殊结构空泡加速。（2）关于相对论飞秒强激光驱动时的辐射研究，一方面集中在尾波场中的betatron辐射产生能量为MeV以上的伽马辐射：X射线激光驱动尾波场电子加速的同时betatron震荡辐射出百MeV量级的高能伽马光子，超高强度的高斯激光驱动近临界密度的气体靶加速获得近10GeV电子束的同时QED辐射产生GeV能量的超高能伽马光子。另一方面，关于辐射的研究更多的集中在相对论激光驱动固体靶的高次谐波辐射及其应用，除了通过测量两束驱动高斯光同时作用产生的谐波自相干曲线获得驱动光束的脉宽外，我们主要研究了相对论涡旋光作用在固体靶上高次谐波的辐射：单束相对论涡旋光作用时产生的高次谐波的模式与其阶数呈线性正比关系，两束相对论涡旋光同时对打到固体靶上时产生频率和模式可调谐的高次谐波，相对论涡旋光斜入射时反射光偏离入射平面，这部分研究内容是本课题研究内容创新性较高的，获得了国际同行的广泛关注。