基于磁场测量的激光尾场电子束加速过程及其脉宽的诊断方案研究

Great improvements have been achieved in the field of Laser Wakefield Electron Acceleration (LWFA). In this progress, the LWFA research is greatly relied on the simulation software due to the lack of the diagnosis of the acceleration process and beam duration. The Faraday-rotation measurement of magnetic field is expected to solve these two problems, which may provide great assistance in the LWFA research. The applicant has been engaged in the LWFA research during the graduate and work, and has been in charge of the diagnosis unit for more than two years. As the first author, the applicant has published four articles in the international journals such as Applied Physics Letters and Physics of Plasmas, and has two authorized patents of the electron beam diagnosis. The applicant has measured the magnetic fields of two points in single shoot for the first time. Based on this study, the applicant is planning to improve the Faraday-rotation measurement in aspects of improving the single to noise ratio, increasing the detecting points, measuring the beam propagation and the beam duration.

尽管目前激光尾场电子加速器的研发和应用都取得了很大的进展，但是人们对其电子束的具体加速过程和电子束脉宽仍然缺乏直观的探测手段，往往只能通过数值模拟软件来进行分析推测。基于法拉第旋光效应的电子束磁场测量有望同时解决电子束加速过程探测和电子束脉宽诊断这两个问题，从而加深人们对激光尾场电子加速器的研究深度。申请人在研究生和工作期间一直从事激光尾场电子加速器的研究工作，并长期负责相关的诊断单元。以第一作者的身份在Applied Physics Letters和Physics of Plasmas等国际专业期刊上发表相关论文4篇，并获得了两项与电子束诊断相关的发明专利。申请人在国际上首次实现了单发双点的电子束磁场测量，在此基础上，申请人计划从提高信噪比、增加单次测量点、探测电子束的传播过程和测量飞秒电子束脉宽这四个方面着手，完善电子束磁场诊断方案，实现对电子束加速及传播过程和电子束脉宽的高效测量。

近年来，基于激光尾波场的电子加速取得了许多重大突破，它是实现台式化自由电子激光器的基础。尽管基于激光尾波场加速的电子束的能量增益已经达到4.2 GeV，然而人们对其电子束的具体加速过程和电子束脉宽仍然缺乏直观的探测手段，往往只能通过数值模拟软件来进行分析推测。其中电子束的具体加速过程是激光尾波场加速的核心内容，它直接决定了电子束能量的增益；而电子束的脉宽则决定了电子束的亮度，在自由电子激光领域内至关重要。因此，对激光尾波场加速的具体过程的探测以及电子束脉宽的诊断不仅具有重要的科学研究意义，也具有实际的应用价值。本课题从超强超短激光源的优化、电子注入源的产生和优化等方面开展工作，利用基于法拉第旋光效应的电子束磁场测量方法对电子的加速过程探测和电子束脉宽诊断进行了深入研究。在实验中，通过设计相应地实验装置，利用电子束在激光尾场中加速时产生的角向强磁场改变侧向探测光的偏振，并使偏振改变的光进入干涉仪产生干涉条纹。由于干涉条纹的区域尺寸只依赖于磁场的区域尺寸，与探测光的脉宽无关，通过测量干涉条纹的区域尺寸可反推出电子束的脉宽。结合一定倍率的放大系统，该方法的测量精度能够到1fs,为超快光学探测、激光尾波场加速中电子束的诊断以及X射线自由电子激光等领域提供了重要的实验手段。