高对比度飞秒激光驱动的团簇电子加速的研究

由于激光驱动的尾波场具有加速梯度大于GV/cm的优势，为小尺寸台面电子加速器的发展提供了可能。最近气体中加速的电子在能量、能散方面虽有较大改善，但稳定性差、电量低等缺点依旧。电子加速的稳定要求缩短注入长度，稳定加速距离，而气体由于密度低和激光在其中传输的不稳定是难以胜任的。一些对自注入的折中方案如对撞注入和毛细管长通道装置又带来了复杂性和其他不稳定性。而被加速电子的电量和能量的反比关系更是气体加速模式的一个无法克服的障碍。 我们计划利用团簇进行电子加速。和气体介质不同，由激光和团簇相互作用所激发的通道回旋共振在电子加速中具有独特的优点：激光在气体团簇中传输会降低激光自聚焦的阈值，极易形成长的可控的等离子体通道；同时团簇电子在激光场中的共振会在极短时间内产生大量的、较高能量的电子，极大地缩短了回旋共振初期的注入和拍频过程，为最后产生大电量、高能量、小发散度和高稳定性的电子束提供了保证。

本项目的主要工作是围绕高对比度激光与团簇气体靶相互作用中电子加速展开。首次在实验上研究了激光团簇与微滴相互作用的区别，并利用小型激光器与气体及团簇分别相互作用，研究了气体介质与团簇介质对电子质量的影响。实验上研究了100fs，10TW高对比度激光与亚微米团簇气体靶相互作用中的电子加速，在激光前向和纵向都观察到了电子信号，其中激光传播方向上产生了麦克斯韦分布的最高能量达600 MeV的高能电子，在激光偏振方向得到电荷量大于3 nC 的电子，为了验证实验结果，通过进行二维PIC模拟我们发现使用团簇-气体混合靶有利于产生大电量的电子束，与实验结果吻合。