基于等离子体通道的级联激光尾波加速和受控辐射的研究

Laser plasma wakefield based electron acceleration and radiation have attracted a lot of attentions in recent years due to their advantages of tremendous acceleration gradient, ultra-short electron beam and ultra-small radiation source size. They have been considered to be the potential candidates for the next generation of high energy accelerator and table-top radiation source. However, due to the challenge of synchronizing these ultra-small acceleration structures the staging of laser wakefield accelerator is extremely difficult, and due to the limited control on the betatron motion of the electrons inside the wake the radiation spectrum and intensity are lack of tunability, limiting its wide applications. In this project we propose a new laser wakefield staging acceleration scheme based on curved-plasma-channel guided driver and a controllable radiation scheme from the electrons accelerated in transversely oscillating wakefields driven by a laser pulse with transverse spatial chirp propagating inside a straight-plasma-channel. Our schemes may pave the way for TeV level high energy wakefield acceleration and high quality radiation source generation.

基于激光等离子体尾波场的粒子加速及辐射源，有着大的加速梯度、超短的电子束脉冲和超小的辐射源尺寸等优异特性，近年来受到了广泛的关注，并被列为下一代高能加速器和台面型辐射源的潜在备选方案。然而在高能加速方面，由于激光尾波加速极小的加速结构，在做级联加速时，存在空间和时间上精确同步困难，级联效率低；在辐射源方面，由于对电子束在尾场中的横向波荡运动调控有限，存在辐射频谱及强度可调谐性差的局限，其进一步大规模应用受限。本项目提出利用弯曲等离子体通道对第二级驱动激光进行导引的激光尾波级联加速方案，以及基于带横向啁啾的激光脉冲在直等离子体通道中产生横向受控振荡尾场，从而获得频谱可调谐的辐射产生方案，以期对激光尾波加速向TeV级高能加速器和高品质辐射源两方面的发展提供解决方案。

本项目针对高能激光等离子体尾波加速及受控辐射，通过理论和数值模拟，主要开展了基于弯曲等离子体通道的级联加速和基于直等离子体通道的Betatron辐射研究。我们模拟验证了利用弯曲等离子体通道可以对第二级驱动激光进行稳定导引，从而实现高效的激光尾波级联加速；数值模拟发现带横向啁啾的激光脉冲在直等离子体通道中传输时，横向啁啾会导致激光的横向受控振荡，从而使得后续的尾波场和其中的电子束都做受控横向振荡，获得频谱可调谐的辐射；我们还发现通过两个激光等离子体尾波碰撞，通过强磁场控制离化电子，通过锐等离子体真空边界都可以控制电子在尾波中的注入，实现高品质电子加速；我们还提出了利用双等离子体密度级，以及密度截断产生高效的伽马射线辐射和谐波辐射。这些研究对激光尾波加速向TeV级高能加速器和高品质辐射源，以及进一步拓广激光等离子体在粒子加速和新型辐射方面的应用提供了新的途径。项目执行期间共发表相关论文18篇，包括2篇发表在PRL上，1篇发表在Science Advances；授权发明专利1项。参研学生荣获蔡诗东等离子体物理奖，项目负责人荣获亚太等离子体学会青年科学家奖以及上海市自然科学一等奖（排名第二）。