第二讲激光尾波场加速中的准单能电子束的产生

自从激光尾波场加速电子方案提出以来，经过二十多年的理论和实验研究，人们在激光尾波场加速方面已经取得了重大进步，相继在电子束能量、电子单色性等束流性能上取得重大突破．特别是在2004年对电子束的单色性研究取得重大突破，国际上几个著名实验室相继报道了准单能电子束产生的实验观测，掀起了激光尾波场研究的新高潮．对于准单能电子束的产生机制，虽然尚未达成统一认识，但普遍认为空泡加速可能是其中非常重要的机制之一．文章介绍了激光尾波场的基本概念，着重介绍了单能电子束产生的空泡加速模式里的两个关键物理过程：波破和电子的自捕获，同时介绍国际上相关的一些重要实验结果和理论进展．     

锐真空-等离子体边界倾角对激光尾波场加速中电子注入的影响

超短超强激光脉冲在气体等离子体中激发的尾波场加速在过去40年里有了长足的发展,人们已经在厘米加速距离内获得了数GeV的准单能电子加速,激光尾波加速的最高电子能量已经达到8 GeV.为了进一步提升加速电子束的稳定性和品质,多种电子注入方式先后被提出.本文研究了基于锐真空-等离子体边界面的密度跃变注入,着重讨论了不同角度的倾斜边界面对注入电子品质的影响.二维粒子模拟研究表明,与倾角为0°的垂直边界面相比,在合适的倾斜边界角下,第二个尾波空泡内产生的注入电量可以有近三倍的提升,同时偏振方向与入射面平行的驱动激光可以增加第一个空泡内注入电子的电量.根据不同激光入射角度时尾波场中电子自注入的起始位置差异,分析了电子电量与横向振荡增强的原因.这些研究有利于提升基于Betatron运动的尾波场辐射及其应用.     

超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还应用单粒子模型,分析了电子在激光场作用下的运动行为,验证了多次加速的物理机理.     

激光尾波场中光子加速研究

在SILEX-Ⅰ激光装置上,测量了超短超强激光脉冲与稀薄等离子体相互作用之后的透射谱. 实验中发现,激光尾波场产生的密度扰动导致等离子体折射率随时间空间不断变化,导致光子的加速/减速. 透射谱上主要表现为激光频率谱峰的劈裂和随密度变化的展宽,没有发现与前向受激拉曼散射或自调制不稳定性相联系的边频波. 同时,利用LPIC++无碰撞粒子模拟程序模拟了超短超强激光与稀薄等离子体相互作用后的透射谱,模拟结果也发现了明显的光子加速过程. 关键词： 超短超强激光脉冲 透射谱 光子加速/减速     

填充预等离子体通道靶激光电子加速研究北大核心CSCD

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中,从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示,在功率密度为5.0×10^(20W/cm^(2))的超强短脉冲激光条件下,通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用,激光脉冲与通道壁的相互作用减弱,电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速,产生电子束具有更大的电荷量,但能量降低,发散角增大。     

高品质激光尾波场电子加速器

激光尾波场电子加速的加速梯度相比于传统直线加速器高了3—4个量级,对于小型化粒子加速器与辐射源的研制具有重要的意义,成为当今国内外的研究热点.台式化辐射源应用需求的提高,特别是自由电子激光装置的快速发展,对电子束流品质提出了更高的要求,激光尾波场电子加速的束流品质和稳定性是目前实现新型辐射源的首要障碍.本文归纳整理了中国科学院上海光学精密机械研究所电子加速研究团队十年来在研制台式化激光尾波场电子加速器过程中采取的方案和取得的进展.例如率先提出了注入级和加速级分离的级联加速方案,通过实验获得了GeV量级的电子束能量;基于级联加速方式利用能量啁啾控制,实验获得世界最高品质的电子束流;通过优化激光系统稳定性和特殊的气体喷流结构,获得稳定的高品质电子束流输出等.这一系列实验结果有利于进一步推进激光尾波场电子加速器的应用.     

封面故事

正等离子体尾波加速可简单用"光速冲浪"来形容:当超短超强激光或电子束在等离子体中传播时,会产生类似船划过水面的尾迹,即尾波,而在尾波中被加速的粒子就像冲浪者一样获得能量。这种尾波结构具有超出传统加速器千倍的加速强度,因而可以在很短的距离内获得极高的能量。2014年11月6日,Nature杂志以封面形式系统描述了美国SLAC实验室大型装置FACET上高效率尾波加速的实验结果,并以"Full     

正负电子谱仪屏蔽方案的模拟优化设计

超短超强激光通过尾波场加速产生的高能负电子束与金属靶相互作用可以获得高能正电子束。实验和计算均表明当高能负电子与较厚的靶相互作用时，产生的正负电子和X射线强度强、发散角大。针对这种情况，为了准确测量能谱，谱仪前方必须使用准直孔，让混合束通过准直孔后再进入大间隙的磁场区域内进行偏转和探测。应用FLUKA程序模拟表明，通过在谱仪外部添加准直孔，谱仪内部添加塑料(以下简称CH)屏蔽片的方式，可以实现谱仪能量分辨率的提高和对噪声的有效抑制，从而实现在混合场中对正电子束能谱进行更准确的诊断。     

粒子模拟程序的发展及其在激光等离子体相互作用研究中的应用

介绍针对超短超强激光脉冲与等离子体相互作用研究的多维粒子模拟程序KLAP.在其一维程序KLAP1D中,考虑场电离、碰撞离化及两体碰撞效应后,程序可以用于研究短脉冲激光与中性物质的相互作用.在其三维程序KLAP3D中,为了研究加速能量达GeV的长距离激光尾波场加速问题,程序采用移动窗口技术,使得模拟尺度可以达到厘米量级.同时介绍了利用KLAP程序得到的有关THz辐射、激光与中性气体相互作用中的脉冲及离化波前演化、激光固体靶作用中表面电子加速及激光尾波场加速的研究实例.     

第一讲台面型电子加速器——激光尾波场加速器

近年来，随着超短超强激光脉冲技术的发展，利用超短超强激光在等离子体中激发出的高强度尾波场来实现电子加速的方案也取得了巨大进展．相对于传统的射频腔加速器，这种新型的加速器由于以等离子体为介质，可以突破传统加速器中加速梯度小于100MV／m的限制，其加速梯度可以达到100GV／m．电子在这样的加速场下，在厘米量级的距离内就可以获得GeV的能量．随着台面型超短超强激光器的发展，新一代实用化的台面型电子加速器有望在不远的将来得以实现．文章将从理论和实验上对激光尾波场加速中的尾波激发、电子注入、距离延长三个方面加以介绍，同时给出国内在这些方面的一些研究进展．     

激光脉冲和电子束对撞准确度的测量方法

超强激光脉冲与相对论电子束相互对撞是当前主要的强场量子电动力学（QED）实验手段。如何测量超强激光脉冲和电子束对撞的准确度,进而实现微米精度的准确对撞,是目前限制实验发展的重要因素。利用蒙特卡罗数值模拟方法,系统研究了超强激光脉冲和相对论电子束相互对撞过程,重点关注了电子和辐射光子动力学信息与激光脉冲和电子束对撞偏移量之间的对应关系。研究发现:辐射光子的空间分布信息,可以有效反映出激光脉冲和电子束的对撞偏移量。基于该研究结果,实验中可利用光子空间分布的信息,实现对激光脉冲和电子束对撞准确度的调节,从而有望促进强场QED实验技术的发展。     

强激光与柱腔靶作用下准直高能电子束的产生

利用二维PIC粒子模拟程序研究了超短超强激光脉冲与柱腔靶相互作用产生的表面超热电子加速现象。采用光强为1021 W/cm2量级的超高斯激光脉冲掠入射进入柱腔靶,在靶的内壁上观察到了GeV量级的表面超热电子。超热电子束被准静态的电场和磁场约束在内壁表面附近,保证了电子束的准直性,发散角仅为1.6°;并且由于超热电子束在纵向激光电场中加速了mm级的距离,激光到高能电子(100 MeV)的转换效率达到了26.6%。另外,通过多参数模拟和理论解析讨论了激光的光强以及横向空间分布对这种表面超热电子加速的影响。     

激光与固体靶相互作用中低密度预等离子体对高能电子产生的影响

 对线极化、圆极化的超短超强激光脉冲与靶前有一段低密度预等离子体的固体靶的相互作用进行了理论和粒子模拟研究。激光通过有质动力加速机制加速预等离子体中的电子，研究了电子获得的最大能量随激光强度和预等离子体密度的变化。当激光脉冲与靶直接作用时，靶中的电子由于J×B机制而得到加速，所获得的能量比预等离子体中电子低。研究表明，在超短超强激光脉冲与固体靶相互作用中，预等离子体的存在有利于高能电子的产生。     

Optimization of low-order harmonic generation by exploitation of a resistive deformable mirror

The generation of harmonics from the interaction of an ultra-intense laser pulse and a gas jet is strongly influenced by the intensity and shape of the laser beam. In this work we present a sensor-less optimization procedure of the harmonics yield based on the use of an adaptive mirror. Because of the limited repetition rate of the laser source, we used a resistive actuator-deformable mirror which allows a rapid convergence to the optimal laser beam correction without a wave-front measurement. Our approach demonstrated that this kind of deformable mirror was able to enhance the harmonic yield by a factor of two in about 40 acquisitions.     

Laser Accelerated, High Quality Ion Beams

Intense beams of protons and heavy ions have been observed in ultra-intense laser-solid interaction experiments. Thereby, a considerable fraction of the laser energy is transferred to collimated beams of energetic ions (e.g. up to 50 MeV protons; 100 MeV fluorine), which makes these beams highly interesting for various applications. Experimental results indicate very short pulse duration and an excellent beam quality, leading to beam intensities in the TW range. To characterize the beam quality and its dependence on laser parameters and target conditions, we performed experiments at several high-power laser systems. We found a strong dependence on the target rear surface conditions allowing to tailor the ion beam by an appropriate target design. We also succeeded in the generation of heavy ion beams by suppressing the proton amount at the target surface. We will present recent experimental results demonstrating a transverse beam emittance far superior to accelerator-based ion beams. Finally, we will discuss the prospect of laser-accelerated ion beams as new diagnostics in laser-solid interaction experiements. Special fields of interest are proton radiography, electric field imaging, and relativistic electron transport inside the target.     

超短超强激光导引及对电子加速的影响

使用粒子模拟程序对30 fs超短超强激光在均匀与抛物型两种密度分布等离子体中的传输, 以及在稳定传输状态下尾场的电子注入与加速形成的电子能谱进行了模拟与分析. 固定入射激光束斑尺寸, 在(0.4-2)×10¹⁹/cm³等离子体密度范围, 对比分析了归一化峰值强度从1-6范围的激光脉冲在上述两种密度分布等离子 体中传输时激光束斑尺寸的演化, 结果表明抛物型分布的等离子体密度通道能够对超短超强脉冲实现良好的导引, 有利于高能电子加速. 对于较高密度情况,即使在均匀等离子体中依靠相对论自聚 焦等机制也可以实现良好的自导引传输,有利于实验简化以及产生更大电量的加速电子.     

Simulation study of indirect positron generation by an ultra-short laser

Positron generation by an ultra-short ultra-intense laser in an indirect manner has been studied with two-dimensional particle-in-cell (PIC) and Monte Carlo (MC) simulations. In this generation scheme, positrons are produced with energetic electrons accelerated by an ultra-shot laser pulse propagating through an underdense plasma. The dependence of the positron beam properties on the plasma length and secondary target (converter) thickness was investigated in detail. The simulation results reveal that the positron yield is strongly correlated with the total energy of laser-accelerated electrons; both the temperature and divergence of the positron beam are sensitive to the plasma length; and the positron beam has a pulse duration comparable to the incident electron beam. In addition, it is indicated that even with the optimal converter thickness, only a small fraction (11.4%) of positrons can escape out and most of the detected positrons originate from the back edge of the converter.     

欠稠密等离子体中诱发的偶次相对论谐波

在自生磁场或背景磁场的作用下,等离子体被磁化.磁化后的欠稠密等离子在超强激光的辐射下诱发相对论相干谐波辐射.由于磁场的影响,诱发的相对论相干谐波辐射中产生偶次谐波辐射.从理论上研究了这一现象,导出了谐波辐射的一般性方程,并特别研究了二次谐波辐射的有关参数 关键词： 二次谐波辐射 自生磁场 强激光 欠稠密等离子体     

大面积均匀电子束产生实验研究

 在电子束泵浦气体激光实验中，大面积均匀电子束是获得高效能激光输出的必要条件。介绍了利用SPG-200脉冲功率源产生大面积均匀电子束的实验。SPG-200是基于SOS的全固态重复频率脉冲功率源，其开路电压大于350 kV。用于产生电子束的真空二极管阴极长294 mm，宽24 mm，两端均为半径为12 mm的半圆，栅网平面为阳极面，两者之间的距离在0~49 mm可调，阴极发射的电子束通过用于隔离激光气室和二极管真空室的压力膜及其支撑栅网引出。分别以石墨和天鹅绒为阴极材料，获得了大面积电子束输出，给出了二极管参数的测量结果，并对电子束发射均匀性进行了诊断。实验结果表明：在阴极材料为石墨、阴阳极间隙为5~9 mm时，二极管电压为240~280 kV，二极管电流为0.7~1.8 kA，输出的电子束很不均匀；在阴极材料为天鹅绒、阴阳极间隙为31~46 mm时，二极管电压为200~250 kV，二极管电流为1.5~1.7 kA，输出的电子束均匀性较好。