多级激光尾波场电子加速器输出的电子束性能的调控

The process of the electron coupling between the adjacent accelerators in the multi-staged laser-driven electron accelerators affects the qualities of the output electron beams, so the control of the electron injection in each stage of the accelerators is a promising solution for the adjusting of the qualities of the electron beams. The goal of the project is to investigate the laser-driven accelerator with controllable output electron beams using particle-in-cell simulation method. The study targets the mechanism of the electron injection and the acceleration in order to find the effects of the injection on the final electron beams. The project will mainly explore the process of the electron injection in a staged laser-driven wakefield accelerator, and study the dependence of the electron injection on the laser and plasma parameters. Based on the dependence of the spatial and spectral qualities on the electron injection progress, the control of qualities of the electron beams will be achieved by controlling the input parameters of the laser pulse and plasmas. According to the current experiment conditions, the instruction of the optimized parameters under which controllable electron beams can be obtained will be given for the staged laser-drvien wakefield acceleration experimens aming at the application in free electron laser.

级联激光尾波场电子加速器中，电子束在相邻两级间的耦合过程影响着输出电子束的性能，因此控制电子束在各加速级中的注入过程是调控输出电子束性能的一种可行方案。本项目主要利用粒子数值模拟方法研究强激光驱动的级联尾波场电子加速器中的电子注入和加速过程，以获得可控性能的电子束为目的，拟解决激光驱动的级联尾波场电子加速研究中的电子注入机制及其对输出电子束性能的影响规律等问题。本项目通过探索级联尾波场电子加速器中的电子注入规律，研究电子注入过程对于激光和等离子体参数的依赖性，揭示输出电子束的空间特性、能谱性能与注入过程的联系，通过对激光和等离子体参数的调控，实现对输出电子束性能的控制。根据揭示的电子注入规律，结合当前级联尾波场电子加速的实验条件，对各加速级的电子束与尾波场的匹配进行综合设计，给出能够实现可控性能的电子束输出的实验参数，为以自由电子激光器等应用为目标的级联激光尾波场电子加速实验提供指导。

激光尾波场级联加速是实现高性能、小型化的电子加速器的一种可行方案，为了得到高性能电子束，级联加速器中电子束在加速级内的注入问题需要深入研究。本研究从控制注入电子束的注入相、能谱分布角度出发，研究了注入相、初始能谱分布对最终电子束性能的影响，并根据影响规律提出了电子束能谱性能的优化控制方案。本研究也针对加速器参数调控提出了超强激光脉冲形状的控制方法。获得的主要成果为：.（1）获得了电子束的注入相对电子束的最终能量的影响规律。输出电子束能量增益在加速场为0区域附近与注入相近似成线性关系，注入位置远离加速场为0区域可以获得更高能量增益。初始电子束纵向分布越宽，获得的电子束能散度越大。.（2）得到了电子束初始能量对最终的能散度影响规律。对于特定注入相，存在最优注入能量，在此能量处能散度可以达到最小。当注入电子束的能量分布在最优能量处，最终加速获得的电子束能散度将被减小，此效应可以用于能散度压缩。高能电子和低能电子均可加速到较高能量，降低注入能量可以提高能量增益。.（3）对注入级电子束进行了空间分布和动量分布的调控，实现了空间分布高度集中的注入电子束，这种电子束被进一步加速后，得到了能散度仅为0.2%的电子束。.（4）实现了一种激光时域参数的调控方法，可以获得陡峭上升沿的激光脉冲。该方法通过一层等离子体薄膜对激光进行调控，可以在固定脉冲啁啾情况下控制激光脉冲宽度，为调控尾波场加速过程提供了一种技术手段。