利用时域非对称激光脉冲实现激光等离子体加速高品质电子束产生

该研究计划是关于利用非对称的强激光脉冲在等离子体中通过激发大振幅尾波产生高品质电子束。我们将使用上海交通大学的新近购置的200太瓦（5J/25fs/10Hz）的超短参钛蓝宝石激光器，由此激光等离子体尾波激发处于高度非线性的所谓空泡模式。受到我们之前的实验研究结果的启发，我们认识到在空泡模式下，加速过程中非对称激光脉冲和电子束之间的相互作用有助于控制电子束参数。通过本项目的研究，我们将实现如下激光尾场加速的高质量电子束：接近100%重复率，电荷产量达到上百皮库，电子束的能量从数百兆电子伏特至GeV的高能量，接近数倍mm.mrad的低角发散度，最小指向角约±1 mrad。这种电子束的产生可以为医学应用、台面X光源产生等奠定一定的基础。

本项目旨在利用时域非对称激光脉冲实现激光等离子体加速产生高品质电子束输出。研究工作主要分成两部分：第一部分是通过计算机数值模拟得到实验所需参数；第二部分是实验研究获得高品质电子束。计算机模拟研究表明，当我们使用具备快上升沿时间的非对称激光脉冲时，等离子体中用于加速电子的尾波电场得到了增强。实验方面，我们利用上海交通大学的200TW激光系统在1cm长的等离子体通道中产生了低能散（几个百分比）、能量在100~1200MeV范围内可调谐的高品质电子束。电子束电荷量为15pC至几个nC，发散角仅为几个毫弧度，取决于实验参数（等离子体密度、激光峰值功率、激光焦斑尺寸等等）。实验中获得的1.2GeV电子束为我们将来开展台式化同步加速器X和伽马射线源产生的研究打开了大门；甚至从长远来看，这也是迈向实现台式X射线自由电子激光器的第一步。这种紧凑型辐射源的应用将有益于医学、化学以及材料科学的基础与应用研究。与此同时，我们还与其他实验室（上海交通大学之外）展开了合作，实现了基于激光等离子体加速电子的Betatron X射线辐射的产生。所有的研究成果均已成功发表在《Scientific Reports》、《PNAS》、《Optics Express》、《Physics of Plasmas》等国际著名期刊上。