基于等离子体尾场诊断的少周期激光电子加速

Laser wakefield accelerators apply intense femtosecond laser pulses to drive plasma accelerating field, which is three orders of magnitude higher than conventional accelerators, realizing table-top relativistic electron acceleration and compact femtosecond X-ray sources. Following the progress of ultrafast laser technology, few-cycle laser pulses with <10 fs pulse duration is becoming the driver of laser wakefield accelerators for electron beams with high repetition rate (1kHz), ultrashort temporal duration (<10 fs), and relativistic energy (MeV), implying applications for ultrafast electron diffraction experiments in chemistry, material, and life sciences. However, the physics of few-cycle laser driving plasma wakefields and accelerating electron beams is still under investigation, especially the impact of the carrier envelope phase (CEP) of the few-cycle laser pulse and its shot-to-shot variation on electron acceleration is unknown. Here we measure in single-shot the spatial profile and the temporal evolution history of plasma wakefields and accelerated electron bunches. Based on the plasma and electron diagnosis techniques, we study the underlying physical mechanisms of wakefield excitation and electron acceleration, under different laser CEP or dispersion conditions. In addition, single-shot wakefield measurement enables real-time, on-line diagnosis of laser wakefield accelerators, dynamically optimizing the beam quality of ultrafast high energy electrons and X-ray sources.

激光尾场加速器利用强场飞秒激光驱动等离子体加速电场，比传统加速器电场高三个数量级，可以实现相对论性电子加速器的台式化和小型飞秒X射线辐射源。伴随着超快激光技术的发展，利用<10fs脉冲宽度的少周期飞秒激光驱动尾场加速器，可以得到高重复频率（1kHz）、超短脉宽（<10fs）、相对论能量（MeV）电子束，并有望应用于化学、材料科学、生命科学中的超快电子衍射实验。然而少周期飞秒激光驱动尾场和加速电子的物理机制，尤其是激光载波包络相位（CEP）及其脉冲间涨落对电子加速的影响有待研究。本项目通过单发测量等离子体尾场密度和被加速电子束电流的空间分布与时间演化，研究不同激光CEP和色散条件下，等离子体尾场激发和电子电离注入加速的物理机制。此外，发展尾场单发诊断技术实现激光尾场加速器的实时在线检测，可以动态优化超快高能电子束和X射线辐射源的输出品质。

少周期激光尾波加速电子是近年来发展起来的新研究方向，有望以较高重频实现高能电子加速的台式化。本项目针对这一研究方向，主要目标是：.1、在有质动力框架外，解决少周期飞秒激光激发等离子体尾场的物理机制，以及激光载波包络相位对尾场空间结构影响的科学问题；.2、解决激光载波包络相位影响电子电离注入过程和电子加速物理机制的科学问题；.3、发展尾场等离子密度空间分布与时间演化的单发诊断技术，空间分辨率<1 微米，时间分辨率<10fs；发展电子束瞬时电流时间演化单发测量技术。.本项目的研究工作基本解决了上述问题，获得一系列科研成果，表现在：.1、通过理论模拟发现了少周期激光尾波加速过程中红移光场导致空泡横向摆动和电子周期性注入的物理机制；.2、搭建了少周期激光产生和与气体靶作用实验装置，自主研制了基于空芯波导的飞秒激光非线性压缩器，以>60%的效率将40fs激光脉冲压缩到10fs以下；.3、发展了压缩光场测绘技术，首次实现任意飞秒激光脉冲三维光场时空分布的单发测量，并应用于激光尾波一类的光速运动等离子体结构超快成像，最高帧率可达到目前世界最高的256万亿帧/秒。.本项目成果共计发表论文7篇，包括1篇Laser: Science & Applications, 2篇Optics Express。本项目在人才培养方面累计支持7名硕士研究生毕业，此外还支持在读博士生研究生3人、硕士研究生2人。