科研進展

雙色相對論飛秒激光驅動等離子體尾波加速電子

上海交通大学物理与天文学院Nasr A. M. Hafz特别研究員、李松博士後【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、研究員】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。

近年來,在阿秒光脈沖産生、納米錐阈上光子輻射發射、太赫茲産生以及固體和氣體的高次諧波産生等領域,使用非相對論性或弱相對論性、共軸傳輸的雙色激光脈沖開展激光與物質相互作用的研究越來越受到科學家們的關注。基于尾波加速機制的激光等離子體電子加速器通常是由太瓦或拍瓦級钛寶石激光系統輸出的單束相對論超短激光脈沖來驅動;最近,已有理論模擬研究提出使用共軸傳輸的雙色相對論飛秒激光驅動等離子體尾波加速,可精確操控電子注入等離子體尾波及加速的過程,提升電子束品質,最終産生具有超高亮度的電子束。

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雙色相對論飛秒激光驅動等離子體尾波加速電子的实验研究。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型線偏振倍頻激光;(E)圖(A)-(D)對應的垂直積分電子束線譜(對數坐標)。(F)電子束截止能量和最高單能峰值能量隨雙色激光脈沖相對延時的變化關系。(G)電子束總電荷量隨雙色激光脈沖相對延時的變化關系。

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型線偏振倍頻激光;(D)圖(B)對應的垂直積分正電子束線譜(線性坐標);(E)圖(C)對應的垂直積分正電子束線譜(線性坐標)。

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特别研究員和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。該項研究得到了國家自然科學基金委面上項目(11675107)、創新群體項目(11721091、11421064)以及科技部973A類項目(2013CBA01500)的資助

 

原文鏈接:

https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaav7940