锐真空-等离子体边界倾角对激光尾波场加速中电子注入的影响

超短超强激光脉冲在气体等离子体中激发的尾波场加速在过去40年里有了长足的发展,人们已经在厘米加速距离内获得了数GeV的准单能电子加速,激光尾波加速的最高电子能量已经达到8 GeV.为了进一步提升加速电子束的稳定性和品质,多种电子注入方式先后被提出.本文研究了基于锐真空-等离子体边界面的密度跃变注入,着重讨论了不同角度的倾斜边界面对注入电子品质的影响.二维粒子模拟研究表明,与倾角为0°的垂直边界面相比,在合适的倾斜边界角下,第二个尾波空泡内产生的注入电量可以有近三倍的提升,同时偏振方向与入射面平行的驱动激光可以增加第一个空泡内注入电子的电量.根据不同激光入射角度时尾波场中电子自注入的起始位置差异,分析了电子电量与横向振荡增强的原因.这些研究有利于提升基于Betatron运动的尾波场辐射及其应用.     

激光脉冲的横向波形对弓形波电子俘获的影响

用粒子模拟研究了在激光尾波场电子弓形波注入过程中激光脉冲的横向波形对尾波场俘获电子数目的影响, 发现与高斯激光相比, 超高斯形激光更有利于拉动空泡闭合前侧边的电子团向空泡尾部汇聚形成高能量局域化的弓形波, 从而导致更多的电子注入到空泡的加速相, 使得被俘获的电子数目提高近5倍, 且电子束品质得到改善.该研究对于进一步理解尾波场加速中电子注入等有参考价值. 关键词： 尾波场 电子俘获 横向波形 粒子模拟     

激光脉冲形状对弓形波电子俘获的影响

使用二维粒子模拟程序研究了电子弓形波注入机制中激光脉冲形状对电子俘获效果的影响. 研究结果表明, 激光脉冲时间上升沿陡峭的正扭曲脉冲激发的尾波场强度高, 加速区域分布广, 并且有利于电子获得更高的初速度, 从而推动更多的电子进入尾波场加速相位. 在其他条件相同的情况下, 正扭曲脉冲的电子俘获数目远高于激光脉冲时间分别为高斯形和负扭曲分布的情形, 使得电子束的品质得到改善. 研究结果对于理解尾波场加速中电子注入过程以及获得大电荷量高能电子束具有积极意义. 关键词： 尾波场 电子俘获 时间波形 粒子模拟     

双束平行入射电子束引导的自注入电子加速效果的研究

在粒子束引导的等离子尾波场加速机制中,为了加速电子获得最大能量,大量研究集中于改变单束牵引粒子束的线度、形状、电荷性质等参数. 综合考虑已有的实验结果,本文提出了一种相比于单束电子牵引更为有效的加速方式,利用双束平行电子束来加速自注入的电子. 通过2.5维粒子程序模拟,发现在牵引电子束具有相同能量、电量、尺寸的条件下,通过双束平行电子束加速得到的电子具有长程加速、高能和准单能性的特性. 同时在空泡内形成了一束独特的回流电子,进一步使得自注入电子具有更好的准直性. 关键词： 电子束尾波场加速 双束平行电子束 粒子模拟     

高品质激光尾波场电子加速器

激光尾波场电子加速的加速梯度相比于传统直线加速器高了3—4个量级,对于小型化粒子加速器与辐射源的研制具有重要的意义,成为当今国内外的研究热点.台式化辐射源应用需求的提高,特别是自由电子激光装置的快速发展,对电子束流品质提出了更高的要求,激光尾波场电子加速的束流品质和稳定性是目前实现新型辐射源的首要障碍.本文归纳整理了中国科学院上海光学精密机械研究所电子加速研究团队十年来在研制台式化激光尾波场电子加速器过程中采取的方案和取得的进展.例如率先提出了注入级和加速级分离的级联加速方案,通过实验获得了GeV量级的电子束能量;基于级联加速方式利用能量啁啾控制,实验获得世界最高品质的电子束流;通过优化激光系统稳定性和特殊的气体喷流结构,获得稳定的高品质电子束流输出等.这一系列实验结果有利于进一步推进激光尾波场电子加速器的应用.     

第二讲激光尾波场加速中的准单能电子束的产生

自从激光尾波场加速电子方案提出以来，经过二十多年的理论和实验研究，人们在激光尾波场加速方面已经取得了重大进步，相继在电子束能量、电子单色性等束流性能上取得重大突破．特别是在2004年对电子束的单色性研究取得重大突破，国际上几个著名实验室相继报道了准单能电子束产生的实验观测，掀起了激光尾波场研究的新高潮．对于准单能电子束的产生机制，虽然尚未达成统一认识，但普遍认为空泡加速可能是其中非常重要的机制之一．文章介绍了激光尾波场的基本概念，着重介绍了单能电子束产生的空泡加速模式里的两个关键物理过程：波破和电子的自捕获，同时介绍国际上相关的一些重要实验结果和理论进展．     

充气型放电毛细管的密度测量及磁流体模拟

在激光尾波场电子加速机理中,为了有效地加速电子,需要抑制衍射散焦等造成的激光传输不稳定性问题. 激光脉冲的稳定传输不仅有利于能量耦合给等离子体波,而且对电子束的注入及稳定加速有着重要影响,具有一定横向密度分布的充气型放电毛细管可以有效引导激光脉冲的传输. 利用等离子体的Stark展宽效应对毛细管产生的等离子体进行密度测量,给出了等离子体密度与充气压强之间的关系. 利用磁流体程序CRMHA对毛细管的放电特性进行了模拟,研究了毛细管引导效应的形成机理. 关键词： 充气型放电毛细管 Stark展宽 磁流体模拟 引导     

第一讲台面型电子加速器——激光尾波场加速器

近年来，随着超短超强激光脉冲技术的发展，利用超短超强激光在等离子体中激发出的高强度尾波场来实现电子加速的方案也取得了巨大进展．相对于传统的射频腔加速器，这种新型的加速器由于以等离子体为介质，可以突破传统加速器中加速梯度小于100MV／m的限制，其加速梯度可以达到100GV／m．电子在这样的加速场下，在厘米量级的距离内就可以获得GeV的能量．随着台面型超短超强激光器的发展，新一代实用化的台面型电子加速器有望在不远的将来得以实现．文章将从理论和实验上对激光尾波场加速中的尾波激发、电子注入、距离延长三个方面加以介绍，同时给出国内在这些方面的一些研究进展．     

三角激光脉冲尾波加速粒子模拟

电子俘获是激光尾波场加速电子的主要机理，增大电子的初速度可以使更多的电子被尾波场俘获.提出三角脉冲激发尾波加速电子的方案，三角脉冲平缓上升沿激发受激Raman散射，用以初步加速电子，三角脉冲陡峭下降沿激发尾波场，将更多的电子加速到接近光速.2D3V粒子模拟结果证实了这一点.同时表明：脉冲长度为几个等离子体波长的超强激光在稀薄等离子体中传播时，还激发侧向Raman散射.在侧向受激Raman散射中，静电波增长最快的波矢模式为k_p=(2ω_p/ω₀ 关键词： 有质动力 电子俘获 前向受激Raman散射 侧向受激Raman散射     

高等离子体密度区域的光子加速现象（英文）

我们测量了激光尾波场加速实验的透射光谱.与之前实验所不同的是,我们所采用的等离子体密度偏高.透射光谱同样呈现出低密度等离子体中光子加速现象的的两个明显特征,光谱加宽和频谱分裂.为了解释该现象,我们利用粒子模拟程序作了模拟计算,计算结果同样证实了高密度等离子体中只要有尾波场激发,同样能产生光子加速现象.利用该现象,为我们优化激光尾波场加速提供了一种新的方法.     

Magnetic control of particle injection in plasma based accelerators

The use of an external transverse magnetic field to trigger and to control electron self-injection in laser- and particle-beam driven wakefield accelerators is examined analytically and through full-scale particle-in-cell simulations. A magnetic field can relax the injection threshold and can be used to control main output beam features such as charge, energy, and transverse dynamics in the ion channel associated with the plasma blowout. It is shown that this mechanism could be studied using state-of-the-art magnetic fields in next generation plasma accelerator experiments.     

Self-Injection and Acceleration of Monoenergetic Electron Beams from Laser Wakefield Accelerators in a Highly Relativistic Regime

Self-injection and acceleration of monoenergetic electron beams from laser wakefield accelerators are first investigated in the highly relativistic regime, using 100 TW class, 27 fs laser pulses. Quasi-monoenergetic multi- bunched beams with energies as high as multi-hundredMeV are observed with simultaneous measurements of side-scattering emissions that indicate the formation of self-channelfing and self-injection of electrons into a plasma wake, referred to as a ＇bubble＇. The three-dimensional particle-in-cell simulations confirmed multiple self-injection of electron bunches into the bubble and their beam acceleration with gradient of 1.5 GeV/cm.     

Mapping the x-ray emission region in a laser-plasma accelerator

The x-ray emission in laser-plasma accelerators can be a powerful tool to understand the physics of relativistic laser-plasma interaction. It is shown here that the mapping of betatron x-ray radiation can be obtained from the x-ray beam profile when an aperture mask is positioned just beyond the end of the emission region. The influence of the plasma density on the position and the longitudinal profile of the x-ray emission is investigated and compared to particle-in-cell simulations. The measurement of the x-ray emission position and length provides insight on the dynamics of the interaction, including the electron self-injection region, possible multiple injection, and the role of the electron beam driven wakefield.     

强激光脉冲在部分离化等离子体中的传播特性

采用变分法给出了强激光脉冲在部分离化等离子体中传播的参数演化方程,其中考虑了相对论自聚焦、有质动力激发尾波场以及部分离化非线性极化强度的影响。通过非线性动力学分析的方法,得到了强激光脉冲以恒定焦斑半径传播时的激光、等离子体参数匹配条件。研究表明:在部分离化等离子体中,激光自聚焦随着电离程度的增大而增强;有质动力激发的尾波场进一步增强激光脉冲的自聚焦;相对于等离子体密度而言,激光强度对激光脉冲的自聚焦更有影响。     

Electron Acceleration in Wakefield and Supra-Bubble Regimes by Ultraintense Laser with Asymmetric Pulse

Electron acceleration in plasma driven by circularpolarized ultraintense laser with asymmetric pulse are investigatedanalytically and numerically in terms of oscillation-center Hamiltonian formalism. Studies include wakefield acceleration, which dominates in blow-out or bubble regime and snow-plow acceleration which dominates in supra-bubble regime. By a comparison with each other it is found that snow-plow acceleration has lower acceleration capability. In wakefield acceleration, there exists an obvious optimum pulse asymmetry or/and pulse lengths that leads to the high net energy gain while in snow-plow acceleration it is insensitive to the pulse lengths. Power and linear scaling laws for wakefield and snow-plow acceleration respetively are observed from the net energy gain depending on laser field amplitude. Moreover, there exists also an upper and lower limit on plasma density for an effective acceleration in both of regimes.     

Trapping and Acceleration of Electron Bunches Generated by a Laser Pulse Moving through the Sharp Plasma Boundary

The formation and acceleration of electron bunches resulting from the self-injection of electrons into the wake wave from the laser pulse moving through a sharp plasma boundary are investigated in one-dimensional geometry. It is shown that electron trapping in the accelerating wakefield is governed by the electron energy and has a threshold character. The acceleration of the trapped bunch is numerically simulated.     

高等离子体密度区域的光子加速现象

本文研究了激光尾场实验中的透射光谱。和标准尾场实验不同的是,我们采用了更高的等离子体密度。实验中仍然观察到了明显的频谱加宽与频谱分裂,这是光子加速的显著标志。为解释该现象,我们做了二维粒子模拟。模拟结果证明在该高密度等离子体中, 光子加速仍然可以发生。     

Role of stochastic heating in wakefield acceleration monitored by optical injection

It is shown that stochastic heating can play an important role in Laser Wake Field Acceleration. When considering low density plasma interacting with a high intensity wave perturbed by a low intensity counterpropagating wave, stochastic heating can provide electrons with the right momentum for trapping in the wake field. The influence of stochastic acceleration on the trapping of electrons is compared to the one of cold injection by considering several polarizations of the colliding pulses. For some value of the plasma density and pulse duration, a transition from an injection due to stochastic acceleration to a cold injection dominated regime – regarding the trapped charge – has been observed from PIC code simulations. When the plasma density exceeds some value, stochastic heating becomes important and is necessary in some circumstances to get electrons trapped into the wakefield.     

激光-等离子体加速器研究综述

综述了有关激光尾场加速器、等离子体拍频波加速器、多束激光脉冲驱动的尾场加速器以及自调制激光尾场加速器的概念及其基本特性,概述了近期的实验结果。介绍了等离子体波的产生机理及等离子体波中电子的俘获和加速,并讨论了存在于激光等离子体加速器中的一些限制和今后发展前景。