粒子加速器始终推动着人类科学技术进步，并对人们的生产、生活产生越来越广泛而深刻的影响。人们对加速器的需求越来越频繁，对其性能指标要求也越来越高。与此同时，人们也期待降低加速器的造价和尺寸，并能建造更高能的对撞机，解决粒子物理基本问题。解决这些问题的关键是发展变革性的加速技术，极大提高加速器的加速梯度，突破目前加速器技术的瓶颈。1979年美国加州大学洛杉矶分校的Tajima和Dawson提出了具有比传统射频加速器加速梯度高出至少3个量级的激光等离子体尾场加速机制，为电子加速器和辐射源小型化变革带来了曙光。近年来随着激光技术，尤其是以2018年诺贝尔物理奖获得者Mourou和Strickland发明的啁啾激光脉冲放大技术（简称CPA技术）为基础的超短超强激光脉冲技术的发展，使得激光尾波加速得到了迅猛的发展，如今激光尾波加速已经可以在20厘米尺度内将电子从静止加速到8GeV，该能量比世界上绝大多数加速器的粒子最大能量都高。

在激光尾波加速发展过程中，加速稳定性及加速能量提升方面一直是本领域的重大挑战。上海交通大学激光等离子体实验室在过去十年就这两方面开展了理论和实验研究，取得了重要进展。此外，基于激光尾波加速的应用，尤其是在宽带激光调制、高品质太赫兹至伽马射线波段的辐射源方面的应用是当前本领域重要的研究课题。本团队针对这两方面也开展了创新性的研究，提出了等离子体尾波光调制器用以实现宽带激光调制，等离子体波荡器实现偏振可控X射线辐射，量子波荡器实现超高亮度伽马射线源等创新方案。这些方案中有的已经获得了广泛的应用，有的正在开展实验验证研究，大大促进了本领域的发展。

（1） 提出高品质离化注入机制，提升激光尾场加速稳定性和束品质

近年来研究团队在尾波加速的注入理论、高品质尾波加速实验方面，都取得了长足的发展。譬如，提出了利用尾场加速实现阿秒电子层的方案【Phys. Rev. Lett. 110, 135002 (2013)】；提出利用双色光离化注入方案获得超低横向发射度的尾波注入加速【Phys. Rev. Lett. 112, 125001(2014)】，发现了光离化注入的自截止现象，产生高品质电子束【Phys. Plasmas 21, 030701 (2014)】等，其中后者已经获得初步实验证实。

研究团队与美、英科学家合作提出了利用双色激光控制有效离化注入长度的方案，从而获得超低能散电子加速，并同时产生具有梳状能谱的多色电子束。在该项研究中，通过利用等离子体色散特性，使得双光束电场随着传播距离呈现峰峰重合、峰谷重合的交替变化。通过适当调节双色光及等离子体参数，可以使得离化注入气体的内壳层电子仅在双色光电场峰峰重合时发生电离、并产生有效离化注入；这样每次有效离化注入长度仅由双色光色散特性决定，可以控制在数十微米左右。经过数次的短距离离化注入，最终在尾波加速的电子能谱上呈现出类似于光学频率梳的电子能谱峰结构。峰峰间的能量间隔相等，且每个峰的能散可以小于0.5%。计算表明，该方案可以在GeV左右的电子加速中，实现单个峰能散低于1%。电子能谱的多峰特性，使得利用该方案实现多色X 射线辐射源成为可能，这为进一步拓宽尾波加速电子束的应用奠定了基础。该成果近期发表在【Phys.Rev.Lett.114,084801 (2015)】。

本工作得到了国家重点基础研究发展计划（Grant No. 2013CBA01500）和国家自然科学基金创新群体项目（11421064）及面上项目（11374210，11374210）等资助。

（2） 提出基于弯曲毛细管的级联加速机制，为高能加速奠定基础

针对尾波加速级联的世界性难题，团队成员与美国劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学洛杉矶分校、英国Strathclyde大学的科学家合作，通过理论分析和大规模数值模拟研究，提出了一种全新的激光尾波加速级联方案。在该方案中，研究人员采用一种类似于高速公路并轨的技术，利用曲率半径渐变的弯曲等离子体通道与长直等离子体通道结合，分别对次级驱动激光和上级加速电子束进行导引，实现次级激光尾场的稳定激发以及电子束平稳注入到次级激光的尾场中。通过新设计，解决了通常驱动激光在次级加速段的横向振荡和尾场振荡导致的电子加速品质降低，以及电子束在耦合段的自发散效应带来的级联率低的难题。该新方案舍弃了其它现有方案中极其复杂的等离子体镜与等离子体透镜结构，大大提升了电子级联效率和电子加速品质。他们的计算机模拟结果显示，对于初级加速能量为1GeV的电子束，级联率可以达到80%；对于初级加速能量超过2GeV的电子束，级联率可以达到100%，使得该方案特别适合于高能电子束级联，确保了TeV加速所需的百级级联的整体效率。

该工作发表在物理评论快报(PRL, 120, 154801 (2018))上。审稿人对该工作给予了极高的评价，他们认为这是一个“全新的方案，并且比迄今为止提出的级联方案具有清晰明了的优点，是激光电子加速领域一个重要的进展；会引起广大物理学家的兴趣”，“该新方案为尾波加速成为超高能量的、紧凑型的激光粒子加速器迈出了极其重要的一步”，“作者们将有可能在撰写一篇经典的论文，为建立一个更加紧凑的激光驱动的粒子加速器做出了实质性的贡献”。

该方案的研究获得了国家973A类项目（2013CBA01504）和国家自然科学基金创新群体项目（11774227）和面上项目（11721091, 11655002）的支持。

（3） 提出基于尾场的光调制器，大幅增加激光带宽，为聚变提供宽带激光

强激光与物质的作用的效应非常依赖于激光场的时空特性，因此调控强激光脉冲的时空特性就可以在很大程度上调控强激光与物质的相互作用，这对很多应用极为重要。当激光光强大于一定幅度时，普通物质被光场电离后形成等离子体。这时强激光与物质的作用就变成了激光与等离子体的作用。由于等离子体没有激光损伤阈值、可以通过塑造一定的时空密度结构，使其成为一种新型的独一无二的光学介质，用于对强激光进行调控。目前人们已经提出或者利用等离子体反射镜、等离子体光栅、等离子体透镜、等离子体通道、等离子体拉曼放大器等来操控强激光脉冲，但这些都难以用来实现对强光的频谱进行深度调制。传统的光调制器是高速光通信和集成光学的关键器件，被广泛用来实现对光信号的振幅、频率、相位和偏振状态的调制。但这类调制器的调制速度目前仅限于100GHz量级（相应地调制频谱较窄），而且光损伤阈值很低，例如最新的掺氧化镁铌酸锂电光调制器能承受的最大激光强度在10²Wcm^-2量级，难以用来对强光进行调制。

团队成员提出了一种基于等离子体介质的超快全光调制器，能够快速地调制强光的频谱和时空特性的方法，相关研究成果近期发表在Nature Communications [Lu-Le Yu et al., Nat. Commun. 7, 11893 (2016)]上，论文题目为：“Plasma optical modulators for intense lasers”。

通过先用一束具有弱相对论光强的超短飞秒激光脉冲在亚毫米尺度的稀薄气体中激发起一种电子等离子体波（类似于船在水中航行时留下的尾迹），该等离子体波跟随激光脉冲以接近真空中光速的相速度传播，其特征振荡频率在THz量级，当另外一束有一定时间延迟的、同向传播的皮秒信号脉冲传输到等离子体波区域时，它的振幅和频率能够快速地被等离子体波同时调制，产生具有非常大的频谱带宽脉冲列，其低频部分甚至能延伸至中红外波段。这种等离子体调制器能够承受的激光脉冲强度可比传统的弱光调制器的光强阈值高十几个数量级，调制速度快1-2个数量级。由于实现等离子体调制器所需的激光条件已经可以通过商品化激光器获得，它有望成为一种新型的等离子体光子器件，在强THz辐射产生、超亮X射线产生和激光聚变领域获得应用。

（4） 提出量子波荡器，实现极高亮度伽马射线辐射

团队成员在美国《科学》杂志子刊[Science Advances 6, eaaz7240 (2020)]上以“Extremely brilliant GeV γ-rays from a two-stage laser-plasma accelerator”为题发表最新研究成果，提出了一种利用两级激光等离子体加速器产生极高亮度GeV伽马射线辐射的新方案。该研究方案有望将伽马射线峰值亮度推向自由电子激光亮度范畴、辐射光子能量拓展至GeV量级，由此为科学研究和应用带来新的机遇。

在这项研究工作中，研究团队通过大型三维粒子模拟研究，提出了一个全新的高效方案来产生这种超高亮度伽马射线脉冲，可同时获得高达GeV量级的超高光子能量和接近XFEL水平的极高峰值亮度。该方案是基于一束数拍瓦激光驱动的两级LWFA加速和辐射机制，如图4所示。在第一级中，利用高强度激光脉冲与一个相对低密度的等离子体作用，产生数GeV能量、几十nC电量的稠密电子束，其能量转换效率可高达~40%；随后，该高能稠密电子束随驱动激光脉冲共同进入一个更高密度的第二级等离子体中。这将触发更多的电子被注入到尾场，激发更高强度的准静态电磁场，从而使得辐射过程从通常激光尾场加速中的经典Betatron辐射机制向以量子电动力学（QED）效应为主的量子辐射机制转换，辐射光子的能量可达GeV量级，产生准直的超亮伽马射线辐射，峰值亮度可高达10²⁷ photons/s/mm²/mrad²/0.1%BW，能量转换效率高达10%以上。利用该辐射机制获得的光子数目、能量转化效率、峰值亮度和辐射功率可以比现有的LWFA辐射源高出3-4个数量级。如此高强度的伽马射线源具有独特的能力，有望为广泛的前沿科学研究和应用提供一个极具潜力的新手段。目前国内外多个研究机构，如欧盟ELI、中国科学院上海光机所、中国工程物理研究院等单位已经建成或者正在建设数拍瓦的超高功率激光系统，这为不久的将来在实验上验证该方案提供了可能。

三、成果影响

（1） 激光加速和辐射研究获上海市自然科学一等奖

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（2） 由于对激光加速领域的贡献部分成员获香港求是基金会杰出科技成就集体奖。