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人员信息

    首席科学家 张杰
   
    课题负责人
  • 张杰
  • 李玉同
  • 颜学庆
  • 赵刚
  • 钱列加
  •  

单位信息

    项目牵头单位 上海交通大学
   
    合作单位
  • 北京大学
  • 清华大学
  • 中国科技大学
  • 国防科技大学
  • 复旦大学
  • 中国矿业大学
  • 鲁东大学
  • 中科院物理所
  • 上海光机所
  • 国家天文台
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激光尾波加速及中红外激光技术取得新进展

发表于: 项目动态, 项目进展简报 | 作者: admin
   

近年来,随着超短超强激光脉冲技术的迅速发展,基于超短超强激光脉冲在等离子体中激发尾波的带电粒子加速机制受到了激光等离子体物理、加速器物理等领域的广泛关注。由于该加速结构不受材料破坏阈值的限制,其加速梯度可以达到传统加速技术的1000倍以上,这使得加速器以及基于加速器的X光源的小型化成为可能,为拓宽这些领域在其它学科上的研究和应用提供了基础。

激光尾波电子加速机制自1979年由美国科学家Tajima和Dawson提出以来,加速电子束的品质提升就一直是科学家们的首要追求目标。2004年Nature杂志以Dream Beam的封面文章刊登了国际上三个独立小组的单能电子加速实验。此后,尾波加速得到了进一步的发展。在尾波加速中,决定最终被加速电子束品质的一个关键因素就是电子的注入过程。由于尾波场的相速度接近光速,而且其横向和纵向尺寸都在10微米量级;本底或外加电子必须达到一定的初始能量,并且精确注入到合适的尾波相位,才可能被尾波捕获并加速。近年来基于高价原子的内壳层电子离化的电离注入机制,由于其实验易操作性,备受关注(该注入机制由陈民特别研究员,盛政明教授等在2006年首先在理论和数值模拟上验证(J. Appl. Phys. 99, 056109);2010年后国际上相继10余篇与离化注入相关理论和实验文章发表在Phys. Rev. Lett.上。该注入机制很容易得到准单能的电子束,但由于通常电子离化时会携带光场的波矢信息,由广义动量守恒可知,该光场矢势将转换为电子束的横向动量,造成最终电子束的横向发射度偏高。

最近上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室的於陆勒助理研究员和陈民特别研究员,与美国劳伦斯伯克利国家实验的E. Esarey, C. B. Schroeder,W. P. Leemans等合作,在双方前期电离注入研究工作(Phys. Plasmas 19, 033101, 2012)的基础之上,提出了利用双色光脉冲进行尾波激发和电子离化注入的方案,其中一束长波长的中红外激光脉冲在稀薄高Z气体中传播时激发大振幅尾场,另一束短波长脉冲激光与上述驱动脉冲同向传输,引起原子内壳层高阶离化并产生高品质电子注入。该方案所产生的电子束具有比传统单束激光方案所加速电子束小1-2个数量级的超低横向发射度。本工作发表在最新一期的Physical Review Letters上[L.-L. Yu, et al., “Two-Color Laser-Ionization Injection”, Phys. Rev. Lett. 112, 125001(2014)]。在本方案中,首选的驱动脉冲应为中红外激光波段,目前还不是强场领域所广泛使用的波长为0.8μm的Ti:Sa飞秒激光。最近本实验室钱列加教授、袁鹏副研究员、谢国强特别研究员已经在百飞秒中红外激光(波长3-5 μm)领域取得了国际先进指标[Kun Zhao, et al., “Generation of 120 GW mid-infrared pulses from a widely tunable noncollinear optical parametric amplifier”, Optics Letters 38, 2159(2013)]。若将这一最新激光技术与该离化注入技术结合起来,有望在实验上得到横向发射度在10nm rad量级、能散1%左右、电量在几个pC量级的飞秒电子脉冲,为尾波加速电子束的应用奠定了基础。

此外,在离化注入的研究基础之上,该实验室博士研究生曾明与导师盛政明教授、陈民特别研究员提出了一种基于超短超强脉冲激光自演化(相对论自聚焦-散焦过程)的离化注入自截止机制,该机制利用脉冲强自聚焦造成离化注入条件破缺,使得在单脉冲驱动的离化注入长度仅为百微米量级,比先前实验上基于两级气体喷嘴的注入-加速机制的注入长度小一个量级,从而进一步降低了最终加速电子束的绝对能散,该工作最近以Letter的形式,发表在Physics of Plasmas[M. Zeng, et al., “Self-truncated ionization injection and consequent monoenergetic electron bunches in laser wakefield acceleration”,Phys. Plasmas 21, 030701(2014)]上。

本系列工作得到了国家重点基础研究发展计划(Grant No. Grant No. 2013CBA01500)和国家自然科学基金资助。

文章链接:
L.-L. Yu, et al., “Two-Color Laser-Ionization Injection”, Phys. Rev. Lett. 112, 125001(2014)
Kun Zhao, et al., “Generation of 120 GW mid-infrared pulses from a widely tunable noncollinear optical parametric amplifier”, Optics Letters 38, 2159(2013)
M. Zeng, et al., “Self-truncated ionization injection and consequent monoenergetic electron bunches in laser wakefield acceleration”,Phys. Plasmas 21, 030701(2014)

   
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