激光加速取得新进展:相对论等离子体波-波碰撞注入新机制

激光加速取得新进展:相对论等离子体波-波碰撞注入新机制

上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室供稿

20189

 图1. 驱动激光脉冲与注入激光脉冲不同延迟时的尾波电子注入不同途径。

在激光等离子体相互作用中存在着众多优美的结构,以及丰富的波波、波粒相互作用,这其中由超短超强激光在气体密度等离子体中激发的激光等离子体尾波及其对带电粒子的加速,由于其极重要的应用前景,在世界范围内受到了广泛研究。激光尾波不仅具有强大的纵向和横向电场,可以将电子在20厘米尺度内从静止加速到7.8GeV能量(78亿电子伏特,见2018-AAC会议,美国LBNL国家实验室Wim Leemans 组实验报道结果),还可以产生短至几十阿秒(10-18s)的电磁脉冲,尾波间的相互作用更是研究非线性波物理的一个绝好平台。这为新型加速器物理、阿秒物理及非线性物理研究提供了新的机遇。长久以来如何获得高质量、稳定且可调谐的电子束,是制约尾波加速走向大规模应用的一个瓶颈;而如何探测这些小至几十微米(10-6米)且以近光速运动的非线性波结构,又是高效控制加速品质的前提;同时,尾波-尾波间的相互作用及其对带电粒子加速的影响是一个意义重大,却尚未被广泛触及的难题。

最近上海交通大学(SJTU)物理与天文学院,激光等离子体教育部重点实验室陈民教授,及博士生罗辑,与美国内布拉斯加林肯大学(UNLUmstadter教授,及博士后Golovin和闫文超等人合作,首次在相对论等离子体波-波碰撞注入及尾波结构探测方面取得了新的进展。实验及数据分析工作在林肯大学开展,模拟和理论分析工作在上海交通大学开展。实验中,他们利用两束脉宽为35fs,聚焦强度分别达到4.1X1018W/cm2(驱动光脉冲)和1.7X1020W/cm2(注入光脉冲),以155度夹角入射的激光脉冲与电子密度为1019/cm3的等离子体相互作用,通过对两束光在大范围(-850fs~950fs,跨度超过50个等离子体波周期)内的延迟调控,研究了驱动激光尾波加速电子束的电量和能量与脉冲延迟间的关系, 首次观察到了由于等离子体波波相互作用导致的电子注入新机制,并确认了等离子体波的存活时间;他们又通过对两束光在小范围内高精度延迟调节(最小调节步长6fs,小于等离子体波的时间周期35fs),研究了注入电量和最终加速能量与脉冲延迟的关系,首次用该方法测量了等离子体波的周期,与理论计算值一致。理论上,通过大量的数值模拟和分析研究,上海交大团队找到了特征电子注入轨迹(见图1),再现了波波碰撞电子注入的不同途径,发现这是一个与以往双束光对撞注入机制不同的又一新机制:与通常注入过程中电子运动主要受到激光作用不同,发现在大延迟或大注入光强下,注入或驱动激光激发的尾波都会对电子运动产生显著影响,造成电子轨迹扰动,实现波波碰撞注入;同时,模拟也再现了注入电量随双束光延迟变化的非对称依赖性(见图2),由此获得了尾波存活的有效时间。以上理论和数值模拟研究,为实验观测提供了清晰合理的微观解释,使人们对尾波加速和演化有了新的认识。

 图2. 驱动激光与注入激光不同延迟尺度下的电子注入电量。(a)大尺度延迟扫描,显示尾波存在时间;(b)小尺度延迟扫描,显示尾波周期性结构。

该研究不仅为尾波加速提供了一种新的电子注入机制,为尾波探测提供了新的方法,同时也为相对论非线性波间相互作用研究提供了新的平台,将来有望应用于实验室天体物理、聚变物理等高能量密度物理研究中。

这个工作近期发表在物理评论快报(PRL,121,104801 (2018)上。这是激光等离子体教育部重点实验室与合作者自2013年以来,继基于激光尾波的阿秒电子层产生和辐射(PRL, 110, 135002(2013);高品质激光尾波电子离化注入方案(PRL, 112, 125001 (2014); PRL, 114, 084801 (2015));基于等离子体波荡器的可控激光尾波辐射(Light: Science & Applications, 5, e16015 (2016));基于激光尾波加速的全光高阶非线性汤姆逊散射(Nature Photonics, 11, 514 (2017));基于弯曲等离子体通道的新型级联加速方案(PRL, 120, 154801(2018)系列研究之后,在激光尾波加速领域的又一重要进展。

该方案的研究获得了国家973A类项目(2013CBA01504),青年973项目(2015CB859700)国家自然科学基金创新群体项目(11721091)和面上项目(11774227),以及美国能源部等项目的支持。大规模数值模拟研究在上海交通大学P超级计算机上完成。

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