基于自调制激光尾场加速原理的极小归一化发射度单能电子束产生的实验研究

One crucial requirement for realizing next-generation synchrotron light sources, colliders and linac-based free-electron lasers (FELs) is high brightness electron sources which possess extremely high-peak current and small normalized emittance. This is a tremendous challenge to traditional electron guns due to their relatively low accelerating gradient and strong bunch self-field interaction. Meanwhile, for its ultrahigh accelerating gradient and natural advantages in bunch length and emittance, laser plasma accelerators have the potential to make some breakthroughs in this subject. Unlike most previous LWFA experiments under "bubble" mechanisms, we plan to adopt Self-Modulate LWFA (SM-LWFA) method which use small power laser facilities with high contrast and high repetition rate interacting with moderate plasmas to generate monoenergetic electron bunches with ultra-low emittance. SM-LWFA was once thought to be unsuited for the generation of monoenergetic electron beams. But some recent successful experiments including ours have preliminarily proved its feasibility. Moreover, we found in simulations that the mechanism can smoothly shift from SM-LWFA to bubble acceleration with some special laser plasma parameters. By taking both advantages of these two mechanisms, we achieved monoenergetic electron bunches with ultra-low emittance. With the support of the foundation, we plan to further investigate on the effects of the laser plasma parameters to the beam qualities so as to generate monoenergetic electron beams with ultra-low emittance steadily by only several TW laser facilities.

新一代同步辐射光源、对撞机和自由电子激光均需要强流、小发射度的电子源。因为加速梯度和空间电荷效应的制约，传统电子枪面临巨大挑战。激光等离子体加速具有超高加速梯度，在出射束团尺寸、发射度等方面有天然优势，有望在此领域取得突破。与之前大多数基于"空泡"机制的激光尾场加速实验研究不同，我们拟采用自调制激光尾场加速原理，利用高信噪比、高重复频率的小功率激光器与中等密度等离子体相互作用，产生极小发射度的单能电子束。人们一度认为此参数条件下无法形成单能电子束团，但近期在我们及其它一些实验中已经成功获得了高品质单能电子束团，初步证明了此方法的可行性。不仅如此，在模拟中我们发现，在一定参数条件下，自调制尾场加速可以平稳的过渡到空泡加速，结合两者优势形成极小归一化发射度的单能电子束团。我们希望借基金支持，进一步研究激光等离子体参数对束团品质的影响，利用太瓦激光器稳定地产生具有极小发射度的单能电子束。

随着对激光等离子体加速原理的深入研究，诸如束流发射度等在传统加速器领域备受关注的参数得到了越来越多的重视。如何利用超短超强激光脉冲产生并测量具有超小归一化发射度的电子束流，是一个值得关注的课题。基于此种考虑，我们开展了本课题研究。.我们利用不同参数的，功率从几太瓦到几百太瓦的飞秒激光脉冲和稀薄气体等离子体相互作用，产生稳定的单能电子束团。在此条件下，我们仔细研究了束团发射度和能散随激光、等离子体参数变化规律。主要的研究结果如下：.1）利用2TW，80fs激光脉冲和氦气相互作用，产生了6pC，23MeV，能散±3.5%的准单能电子束，其估算归一化发射度小于0.1π mm•mrad。此时产生电子束的原因是SM-LWFA和LWFA的平稳过渡。.2）应用20-60TW，30fs激光脉冲和氦气相互作用，在LWFA自注入机制下，我们可以得到能量在100-300MeV的准单能电子束。其估算束团发射度约为1-10π mm•mrad。当使用氮气时，由于离化注入机制的存在，注入和加速的稳定性会改善，但是束团能散和发射度会变差。.3）通过调节激光脉冲聚焦光斑，我们可以在焦点位置得到两个束斑，从而产生1个，2个或3个被加速电子束团。实验结果表明，当形成多个电子束斑时，由于每个束斑对应的激光功率密度更低，光斑更小，其几何发射度比单个束斑时更小，且多个束团的总电量和要更高。.4）在二维PIC模拟中我们发现，根据出射的电子束团空间分布及相应的betatron辐射的角分布，可以推测电子在激光尾场中的行为，从而得到激光和等离子体参数的匹配程度，这些模拟结果在实验中得到了验证。.5）在高功率条件下，稍高的等离子体密度会引起二次注入，二次注入的电子具有更大的电量，其加速梯度也更高，但是其发射度和能散会变差。.以上一系列的模拟实验结果表明，在激光等离子体加速实验中可以产生具有极小发射度的单能电子束，其最小归一化发射度出现于SM-LWFA可以向LWFA平稳过渡中。随着激光脉冲能量的增加，其发射度出现了增大的趋势。通过改变注入机制，可以增加注入电量，但是其能散和发射度会显著的变差。