基于XFROG技术诊断激光等离子体尾波场结构的物理研究

The rapid development of high-power laser and laser-wakefield accelerator (LWFA) in the past decades has brought revolutionary changes for the application of future accelerators. These progresses have paved the path for future development of high-quality, compact particle accelerators, femtosecond light sources and colliders. For this research field, the capability to visualize the laser-wakefield structures is the key for attaining fine control on the physical process of laser-wakefield acceleration. In 2010, for the first time, we have achieved the generation of 15-fs, 3-mJ mid-IR pulses from laser-wakefield accelerators (Phys. Rev. A 82, 063804, 2010). In this project, the spectrum of the mid-IR pulses generated from LWFA as functions of time will be measured and analyzed by cross-correlation frequency resolved optical gating (XFROG), and based on these measurements, evolution of wakefiled structures can be studied. This diagnostic technique will be widely applied to the development of laser-wakefield acceleration and ultrafast light source generation.

近年来超短超强激光技术发展迅猛。同时基于此类激光与等离子体相互作用的新型粒子加速器和超快光源在世界范围内也取得了激动人心的进展,有潜力推动未来紧凑型高能加速器及先进光源的发展，并有潜力成为下一代对撞机的候选技术。当前在该领域的研究中，发展一套能测量激光与等离子体相互作用过程的诊断方法至关重要。2010年项目申请人在国际上首次通过实验证明在激光尾波加速产生等离子体空泡的条件下，激光脉冲的强烈红移效应可产生15飞秒、数毫焦中红外光脉冲源(Phys. Rev. A 82,063804,2010)。近来我们通过理论模拟发现以激光尾波场所产生中红外脉冲光谱的红移或蓝移变化与尾波场结构演化有直接的关系，因此非常适合用来发展激光尾波场结构量测的诊断技术。本课题计划通过实验系统地发展基于XFROG技术诊断激光尾波场结构的演化，并将该技术广泛应用于激光等离子体加速的研究。

激光等离子体尾波场具有超高加速梯度，可应用于紧凑型粒子加速器或先进光源。在尾波场空泡形成过程中，由于相对论和密度梯度等效应会导致等离子体折射率的剧烈变化，从而发生光子减速产生超短的中红外脉冲。项目通过系统的理论模拟和实验验证，证实了高转换效率近单周期中红外脉冲的产生，其中心波长可在3μm -20μm范围内调谐。基于四波混频的XFROG技术开展了中红外激光脉冲优化和时频域信息测量，通过驱动激光脉冲的频率变化可直接获得等离子体尾波场结构演化（如等离子体空泡拉长）和电子注入及加载等过程，与数值模拟结果能很好吻合，为激光等离子体加速关键物理研究提供了重要的诊断工具。.项目还基于中物院SILEX-II装置开展了PW激光驱动的TW级超短超强中红外产生实验，可获得3.5μm中心波长的超强中红外脉冲，其单脉冲能量可达170mJ，超过了目前所有文献报道的飞秒级中红外脉冲能量。通过改变不同的等离子体密度，可实现中红外光谱中心波长和谱宽的调谐。