上海交通大学物理与天文学院Nasr A. M. Hafz特别研究员、李松博士后【现为欧盟极端光学基础设施阿秒光脉冲源研究所（ELI-ALPS，匈牙利）首席科学家、研究员】与韩国国立蔚山科学技术院（UNIST）Min Sup Hur教授、美国马里兰大学Antonio C. Ting教授等合作，在国际上首次通过实验和理论模拟印证了利用共轴传输的双色相对论飞秒激光驱动等离子体尾波加速可大幅提升电子束能量与电荷量。相关成果以“A laser plasma accelerator driven by two-color relativistic femtosecond laser pulses”为题于2019年11月 22日发表在Science Advances [5, eaav7940 (2019)]上。

近年来，在阿秒光脉冲产生、纳米锥阈上光子辐射发射、太赫兹产生以及固体和气体的高次谐波产生等领域，使用非相对论性或弱相对论性、共轴传输的双色激光脉冲开展激光与物质相互作用的研究越来越受到科学家们的关注。基于尾波加速机制的激光等离子体电子加速器通常是由太瓦或拍瓦级钛宝石激光系统输出的单束相对论超短激光脉冲来驱动；最近，已有理论模拟研究提出使用共轴传输的双色相对论飞秒激光驱动等离子体尾波加速，可精确操控电子注入等离子体尾波及加速的过程，提升电子束品质，最终产生具有超高亮度的电子束。 

图1 双色激光驱动尾波加速电子的实验装置示意图：（A）共轴传输的双色相对论飞秒激光在超声气体喷流中驱动等离子体尾波加速；（B）飞秒探针光束在线测量等离子体密度分布；（C）800 nm和400 nm激光束的焦斑截面分布；（D）铝箔屏蔽的成像板记录的电子束能谱图像；（E）DRZ荧光板同步记录并成像于ICCD的电子束能谱图像；（F）激光等离子体相互作用后成像光谱仪采集的部分400 nm激光光谱。

然而，世界范围内至今没有开展过有关双色相对论飞秒激光驱动等离子体尾波加速电子的实验研究。上海交通大学的研究团队与其合作者首次实验证实了使用800 nm基频脉冲和400 nm倍频脉冲时空重叠而成的双色激光场驱动等离子体尾波加速电子的可行性，实验装置如图1所示。实验中，研究人员先后使用总功率约为70 TW的单束基频（800 nm）激光脉冲和时空重叠后总功率约为67 TW的双色激光脉冲在具有相同介质、相同密度且长度为4 mm的稀疏等离子体中驱动尾波加速，观测到双色激光脉冲加速产生的电子束的能量和电荷量均获得了大幅提升，如图2所示。 

图2 利用4种不同参数的激光在超声氦气喷流中驱动尾波加速产生的电子束能谱（成像板记录的5发累计结果）：（A）2.1 J、800 nm主激光；（B）1.9 J、800 nm主激光+100 mJ、400 nm的p型线偏振倍频激光；（C）1.9 J、800 nm主激光+100 mJ、400 nm的s型线偏振倍频激光；（D）1.9 J、800 nm主激光+100 mJ、400 nm的c型线偏振倍频激光；（E）图（A）-（D）对应的垂直积分电子束线谱（对数坐标）。（F）电子束截止能量和最高单能峰值能量随双色激光脉冲相对延时的变化关系。（G）电子束总电荷量随双色激光脉冲相对延时的变化关系。

然后，研究人员利用两种不同激光参数条件下加速产生的高能电子束进一步开展了基于轫致辐射机制的正负电子对产生实验。实验结果表明：同等实验条件下，利用双色激光脉冲加速产生的电子束轰击5 mm厚铅靶获得的正电子束的能量和产额均获得了提高，如图3所示，再次证明了双色激光脉冲可有效提升电子束能量与电荷量。计算机模拟结果表明：当激发尾波加速的基频激光脉冲在等离子体中完全耗散后，伴随的倍频激光脉冲会取代基频脉冲进一步延长加速距离，进而使得电子束能量获得了提升。这一成果为未来大幅降低激光等离子体电子加速器的尺寸和建造成本、扩大尾波加速电子束的应用奠定了基础，同时也为该领域的研究工作开辟了新方向，获得了三位同行评审专家的一致好评。 

图3（A）基于激光尾波加速的正电子束产生实验装置示意图。利用5 mm厚铅靶作为轫致辐射转换体产生的正负电子对能谱：（B）2.1 J、800 nm主激光；（C）1.9 J、800 nm主激光+100 mJ、400 nm的s型线偏振倍频激光；（D）图（B）对应的垂直积分正电子束线谱（线性坐标）；（E）图（C）对应的垂直积分正电子束线谱（线性坐标）。论文第一作者为李松博士和李光宇博士研究生，通讯作者为Nasr A. M. Hafz特别研究员和Min Sup Hur教授。

论文第一完成单位为上海交通大学，合作研究团队包括韩国国立蔚山科学技术院、美国马里兰大学、俄罗斯莫斯科国立大学、匈牙利欧盟极端光学基础设施阿秒光脉冲源研究所。该项研究得到了国家自然科学基金委面上项目（11675107）、创新群体项目（11721091、11421064）以及科技部973A类项目（2013CBA01500）的资助。

原文链接： https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaav7940