【科研进展】相对论超强激光导引和激光尾波高能电子加速研究取得新进展

激光等离子体尾波可以承载比射频加速腔高三个量级的场强（~GV/cm），被视为未来TeV正负电子对撞机的潜在加速方案，在世界范围内被广泛研究。由于单束激光能量有限，要获得TeV能量的电子加速就必须攻克多束激光尾波加速的级联技术，这是本领域当前面临的重大挑战，欧盟和美国均将其列入粒子物理和加速器物理战略研究报告。

2016年美国劳伦斯伯克利国家实验室通过引入等离子体镜对超强激光进行反射导引，利用等离子体透镜对电子束进行聚焦再注入，首次实验展示了级联尾波加速的可行性，相关文章发表在【Nature, 530, 190 (2016)】上。然而由于等离子体透镜的色散性质，该方案在实验中获得的电子耦合效率为3.5%。为解决上述问题，2018年上海交大陈民团队与合作者提出了基于弯曲等离子体通道激光导引的新型激光尾波级联加速方案【PRL, 120, 154801 (2018)】，由于舍弃了等离子体透镜色散元件，此方案理论上不同级联加速段之间的电子束耦合效率可达100%。2019年在国家自然科学基金重大项目支持下，该团队开展了实验验证研究。

近来，该团队在国际上率先实验验证了曲率渐变的弯曲等离子体通道对超强激光的导引，观察到弯曲通道中的尾波加速。实验中，他们与武汉大学曹强教授团队合作，利用飞秒激光刻蚀技术，在蓝宝石基片上成功制备出曲率渐变的弯曲毛细管。该毛细管具有极高的耐烧蚀性，可以承载等离子体的高温和强激光的烧蚀。随后他们与上海交大刘振宇教授团队合作，合理设计了毛细管气路。通过高压脉冲放电，团队实现了弯曲等离子体通道的制备，并就通道参数对气压、电压、放电延迟等参数的依赖关系开展了系统性地研究和优化，发展了横、纵向等离子体密度的单次测量方法，搞清了激光和等离子体通道参数，以及激光入射参数对相对论强度激光导引的影响；在此基础上成功实现了在3厘米长度内将聚焦强度超过10²⁰W/cm²的激光脉冲偏折10.4度（如图1所示），且激光束质心的横向振荡得到抑制，由此激光束可被平稳和高品质地导引到直线段。在成功实现强激光弯曲导引的同时，他们在国际上首次实现了弯曲等离子体通道内的尾波场激发，并观察到近GeV能量的准单能电子加速（如图2所示）。

图1.弯曲等离子体通道对相对论强激光的稳定导引

图2. 弯曲等离子体通道内首次实现GeV量级电子加速

相关成果以“Experimental Demonstration of Laser Guiding and Wakefield Acceleration in a Curved Plasma Channel”为题于2023年5月23日发表在Physical Review Letters上，并被选为“物理亮点（Featured in Physics）”和“编辑推荐（Editors’ Suggestion）”。Physical Review Letters期刊审稿人对该工作给出了高度评价，认为“这是第一个弯曲等离子体通道内激光导引和电子加速的实验验证。该研究有望提供一个完美紧凑的解决方案，开辟通向多级激光等离子体加速器之路。级联是获得超过10GeV电子能量的必经之路，在未来有可能建造出一个对高能物理有意义的紧凑型加速器”；“该文中所用的特殊设计的弯曲等离子体通道，有潜力应用于其它领域，如同步辐射源、主动型等离子体透镜等”。

论文第一作者为上海交通大学物理与天文学院的博士研究生祝昕哲和副研究员李博原，通讯作者为刘峰副研究员、陈民教授和张杰院士。该项研究是新型级联尾波加速方案的第一步关键性验证，接下来团队将在激光等离子体教育部重点实验室即将建成的200+300TW双百太瓦激光等离子体研究平台上开展双束激光的级联尾波加速研究。

本研究得到国家自然科学基金重大项目、杰出青年科学基金项目和中科院先导项目的资助，计算资源得到上海交通大学Π超算中心的支持。

论文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.215001

Physics上的报道

https://physics.aps.org/articles/v16/s74

图文编辑：刘真

责任编辑：叶丹、朱敏

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