超强飞秒激光尾波场加速产生58MeV准单能电子束实验

超短超强激光与等离子体相互作用产生的激光尾波场可以在毫米尺度上加速产生高能量的准单能电子束.在SILEX-Ⅰ激光装置上进行的激光尾波场加速实验中,利用超强飞秒激光与超声速锥形喷嘴产生的2.7mm直径氦气气体柱相互作用,获得了能散为15.5%、发散角为15mrad、能量为58MeV的准单能电子束.在70TW激光照射下获得的电子束总电量达到15.4nC.介绍了实验条件、方法和主要实验结果.     

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.     

基于积分束流变压器的加速器束团电荷量测量系统

 为满足清华大学加速器实验室光阴极微波电子枪实验平台的发展需求,设计了束团电荷量测量系统,可以实现实时测量加速器束团电荷量的目标。这套测量系统基于积分束流变压器,包括前置放大器、门控积分器、模数转换和数据传输模块。利用信号发生器模拟束流,对整套系统进行了离线测量实验。当前置放大器放大倍数取200和20时,AD转换值和束流电荷的比值分别为2.181 PC-1和0.195 PC-1,与理论值2.070 PC-1和0.207 PC-1基本吻合;其对应的电荷量测量误差分别小于2 PC和15 PC。测量结果和模拟束流电荷量值的拟合曲线线性度好,相关系数的平方均大于0.999 0。该结果验证了系统的可行性。     

基于积分束流变压器的加速器束团电荷量测量系统

为满足清华大学加速器实验室光阴极微波电子枪实验平台的发展需求,设计了束团电荷量测量系统,可以实现实时测量加速器束团电荷量的目标。这套测量系统基于积分束流变压器,包括前置放大器、门控积分器、模数转换和数据传输模块。利用信号发生器模拟束流,对整套系统进行了离线测量实验。当前置放大器放大倍数取200和20时,AD转换值和束流电荷的比值分别为2.181 PC-1和0.195 PC-1,与理论值2.070 PC-1和0.207 PC-1基本吻合;其对应的电荷量测量误差分别小于2 PC和15 PC。测量结果和模拟束流电荷量值的拟合曲线线性度好,相关系数的平方均大于0.999 0。该结果验证了系统的可行性。     

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.     

用于能量标定的束流损失测量系统

为精确地测量合肥电子储存环电子束的能量,建立了一套束流损失的测量装置,选择了一款对低能光子探测效率高的塑料闪烁体探测器,根据测量到的束流损失信号研制了一套数字化的信号处理电路,并进行了实际测量。测量结果表明该束流损失测量系统能够精确、灵敏地反映出束流损失的变化,可以用于自旋共振退极化法标定电子束能量的实验;并介绍了自旋共振退极化法的测量原理及依据的理论基础。     

用于能量标定的束流损失测量系统

为精确地测量合肥电子储存环电子束的能量,建立了一套束流损失的测量装置,选择了一款对低能光子探测效率高的塑料闪烁体探测器,根据测量到的束流损失信号研制了一套数字化的信号处理电路,并进行了实际测量。测量结果表明该束流损失测量系统能够精确、灵敏地反映出束流损失的变化,可以用于自旋共振退极化法标定电子束能量的实验;并介绍了自旋共振退极化法的测量原理及依据的理论基础。     

近共振区超短强激光脉冲激发的等离子体尾波场

用一维相对论粒子模拟研究了相对论超短强激光脉冲在等离子体中传播时激发的尾波场,初步获得了近共振区尾波场的峰值幅度随激光脉冲宽度变化的特点,发现在近共振区等离子体波激发出现增强。通过准静态近似下尾波激发的一维非线性方程数值求解,并与粒子模拟结果比较,得到了该非线性方程的适用范围：当激光脉冲宽度小于等离子体波波长的4倍时,该方程所得结果与粒子模拟结果一致;而当激光脉冲宽度大于该数值时,该方程不再适用。     

近共振区超短强激光脉冲激发的等离子体尾波场

 用一维相对论粒子模拟研究了相对论超短强激光脉冲在等离子体中传播时激发的尾波场,初步获得了近共振区尾波场的峰值幅度随激光脉冲宽度变化的特点,发现在近共振区等离子体波激发出现增强。通过准静态近似下尾波激发的一维非线性方程数值求解,并与粒子模拟结果比较,得到了该非线性方程的适用范围：当激光脉冲宽度小于等离子体波波长的4倍时,该方程所得结果与粒子模拟结果一致;而当激光脉冲宽度大于该数值时,该方程不再适用。     

稀薄等离子体中激发尾波场的共振动条件

研究了在稀薄等离子体中强激光激发尾波场的情况，发现尾波场的激发与入射激光的脉冲宽度有共振现象。在光强很小情况下，共振所需要的入射激光脉冲宽度度为λp/2，随着光强的增大共振激光脉冲宽度减小。同时发现在稀薄等离子体中激发的尾波势场与等离子体的密度几乎无关，而激发的尾波场最大电场强度与等离子体的密度有关。     

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.     

激光尾波场驱动准连续小角度电子束研究进展

报道了在北京大学新建成的5 Hz 200 TW飞秒激光加速器实验装置上利用68 TW(1.7 J,25 fs)的激光与混合气体(99%He掺杂1%N_2)进行激光电子加速的初步实验结果与理论分析.在实验中观测到了最大截止能量为290 MeV的连续电子能谱,并且最大输出能量在一定的聚焦范围内基本不变.二维particle-in-cell模拟表明:电离注入导致电子不断注入,使得纵向相空间在激光传播几个毫米后基本被电子填满;之后相空间中电子分布基本保持稳定,随着激光传播距离的增加,输出电子最大能量几乎不变,这与实验观察到的最大输出能量随激光聚焦位置在一定范围内不变的现象一致.实验与模拟结果揭示了在当前实验条件下连续电离注入对电子束品质的影响,为今后进一步优化电离注入电子品质提供了依据.     

基于激光尾场加速的自反射式全光汤姆孙散射的参数优化

基于激光尾场加速的全光汤姆孙散射能够提供高质量X射线束并大大减小装置的尺寸.与分光式相比,自反射式的构架可以降低实验的时空同步难度,但是由于激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程耦合, X射线优化难度大,目前缺乏参数优化的相关报道.本文用数值模拟修正解析理论的方法,定量分析了激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程中激光和电子束的焦斑、脉宽、能量等参数变化情况,并给出了激光在等离子体镜上的反射率,从而实现了用解析公式计算而非数值模拟跟踪参数变化,在保证精度的同时节约了计算时间.另外,利用修正后的公式优化了给定激光条件下的自反射式全光汤姆孙散射X射线,通过改变等离子体密度和等离子体镜位置这两个参数给出了最优X射线亮度和光子产额,该方法为将来结合人工智能优化控制全光汤姆孙散射光源提供了理论基础.     

Accurate monoenergetic electron parameters of laser wakefield in a bubble model

A reliable analytical expression for the potential of plasma waves with phase velocities near the speed of light is derived. The presented spheroid cavity model is more consistent than the previous spherical and ellipsoidal model and it explains the mono-energetic electron trajectory more accurately, especially at the relativistic region. As a result, the quasi-mono-energetic electrons output beam interacting with the laser plasma can be more appropriately described with this model.     

Developments in laser wakefield accelerators:From single-stage to two-stage

Laser wakefield accelerators(LWFAs)are compact accelerators which can produce femtosecond high-energy electron beams on a much smaller scale than the conventional radiofrequency accelerators.It is attributed to their high acceleration gradient which is about 3 orders of magnitude larger than the traditional ones.The past decade has witnessed the major breakthroughs and progress in developing the laser wakfield accelerators.To achieve the LWFAs suitable for applications,more and more attention has been paid to optimize the LWFAs for high-quality electron beams.A single-staged LWFA does not favor generating controllable electron beams beyond 1 Ge V since electron injection and acceleration are coupled and cannot be independently controlled.Staged LWFAs provide a promising route to overcome this disadvantage by decoupling injection from acceleration and thus the electron-beam quality as well as the stability can be greatly improved.This paper provides an overview of the physical conceptions of the LWFA,as well as the major breakthroughs and progress in developing LWFAs from single-stage to two-stage LWFAs.     

激光等离子体尾波加速器的发展和展望

超强激光在气体等离子体中传输时可以激发出大振幅的电子等离子体尾波。激光等离子体尾波加速器是利用该尾波对带电粒子（特别是电子和正电子）进行加速的一种新型装置。由于其加速梯度相较于现有的常规加速器可以提升1000倍,为建造超紧凑型的加速器和辐射源奠定了基础,也为将来建造基于等离子体的超高能正负电子对撞机和自由电子激光装置提供了可能。对该新型加速器的原理、特点、发展历程,尤其是近十年来的主要进展和未来发展趋势及面临的主要挑战进行简要梳理和介绍。     

Highly-efficient 20 TW Ti:sapphire laser system using optimized diverging beams for laser wakefield acceleration experiments

We developed a highly efficient and compact Ti:sapphire multipass amplifier that uses divergent seed beams to generate 20 TW/40 fs laser pulses with a repetition rate of 10 Hz. The laser system consists of a mode-locked oscillator, a regenerative amplifier, and a multipass power amplifier. The thermal lensing effect is very important in this system, especially in the multipass amplifier, as it limits the conversion efficiency. In order to compensate the thermal lensing effect, we calculated the optimum divergence of the seed beam and used the result for the multipass amplifier, where the thermal focusing is taken into account. In this way, we achieved a very high conversion efficiency of 41%, which is close to the theoretical limit. The laser system was then used with a capillary gas cell to generate stable high-energy electron beams with electron energies of about 150 MeV and a beam divergence of 4 ± 1 mrad. In this paper, details of the laser system development and experimental results for electron generation are presented.