激光尾场电子加速 | 应用物理前沿推介系列No.12

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本期推介

激光尾场电子加速：超高梯度粒子加速的发展

高能粒子束是粒子物理、核物理、材料、生物、医学等领域的重要研究手段。它的产生依赖加速器，其能量增值受电场强度（加速梯度）和加速距离两个因素影响。受制于传统射频加速梯度阈值（100 MV/m），粒子能量的提升往往依赖于不断增大加速器的规模，对空间与物质资源提出了越来越大的挑战。因此，寻求更高加速梯度的粒子加速新机制对于加速器的可持续发展至关重要。

随着啁啾脉冲放大技术的发明 [1]，超快激光的峰值强度快速提升，促使激光驱动粒子加速迅速迅速发展。根据加速的粒子种类不同，激光驱动粒子加速器可分为电子加速器和离子加速器；根据实现或增强粒子和光场耦合的媒介不同，又可分为等离子体激光加速、电介质激光加速、太赫兹激光加速器等。目前，尤以激光等离子体尾场加速电子倍受青睐。该新型粒子加速机制由Tijima与Dawson于1979年首次提出 [2]，加速梯度可达100 GV/m，比传统射频加速器高3-4个数量级，具有高流强、短脉冲的特点，让小型化粒子加速器成为可能。

图1 射频加速器（左）与激光尾场加速（右）的典型参数。射频加速器的加速梯度为10^7-8V/m，单级加速腔长1米左右，飞秒超强激光在等离子体中产生的尾场结构加速梯度为10¹²V/m量级，尾场尺寸一般为数十微米 [3]。

2004年美国、英国、法国分别基于数十太瓦（10¹² W）的飞秒激光获得了百MeV的准单能电子束输出，《Nature》期刊在封面以“Dream beam”同期报道了这一结果[4]。随后，激光电子加速在电子能量、品质及其应用方面均取得了长足的进步。

2019年，美国劳伦斯-伯克利国家实验室利用等离子体通道导引技术，用“喷嘴+等离子体透镜+等离子体镜+放电毛细管”构成的四段式结构大幅提升单级电子加速能量，以及通过级联技术实现多个激光驱动的尾波对电子进行串联加速。在20cm长度内将电子加速到7.8 GeV [5]，这是目前公开报道的激光电子加速的最大能量，也达到了目前自由电子激光装置中直线加速器的能量水平。在尾场加速中，随着电子运动速度超过尾场的传播速度，电子逐渐进入减速相位，成为电子加速能量持续提升的关键瓶颈。面对这一挑战，2020年美国罗彻斯特大学和巴黎理工学院先后提出了利用阶梯级反射实现时空耦合光场的思路，使激光能量分布的焦点超光速运动，从而解决单级加速中的失相问题[6]，该概念有待实验进一步验证。

从超高梯度加速原理向加速器迈进，解决束流的品质和稳定性至关重要。2021年，德国电子同步加速器Desy发展了引导、分段（staging）、智能反馈、抖动消除、高功率靶、高功率激光等核心技术，将等离子体加速器的概念成熟化，同时开发用于医疗和工业用途的系统。通过局部电离注入优化电子束产生，采用新型分区等离子体腔，前区由氢气和氮气混合物组成，后区充满纯氢气，在282 MeV和44 pC的参数下，电子束能散均方根达到1.2%，能量传输效率约为19% [7] 。在稳定性提升方面，已连续获得十万发电子束，为实现长时间稳定运行的激光等离子体加速器带来曙光 [8]。同时，德国汉堡大学报道了利用贝叶斯算法进行实验参数优化，提高激光等离子体加速器的稳定性，在90%发数中将电子束能散控制在5% 以下[9]。

依托于国内超强超短激光技术的普及和快速发展，中科院物理所、中科院上海光机所、中国工程物理研究院、上海交通大学、清华大学、北京大学等均建设激光驱动电子加速实验平台，在注入机制、品质优化、辐射机理等方面提出一系列创新方案，在实验中屡次取得重要突破，为该领域的创新发展作出了重要贡献。

为推动激光尾场电子加速的应用，上海光机所的研究主要聚焦于电子束束流品质和稳定性提升，提出前端冲击注入的尖峰结构的改进方案构造特殊等离子密度分布，利用能量啁啾压缩获得高品质电子束，能散压缩到2‰ [10]。为推进尾场电子加速的应用，采用温控小于±0.3℃、自准直反馈等技术手段，有效提升激光器种子激光脉冲光束指向稳定性到小于1.5 µrad，并改进功率放大器，使激光器在200 TW、1 Hz条件下实现连续90分钟能量抖动小于0.55%稳定输出[11]，在此基础上获得稳定的高品质电子束，结合创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统，在国际上首次实现基于激光电子加速器的极紫外波段的自发辐射放大输出，典型激光波长27纳米，最短激光波长可达10纳米级，单脉冲能量可达100纳焦耳级，并通过轨道偏移以及自发辐射定标等方法证明了最后一段波荡器中能量增益高达100倍[12]。

目前，激光尾场电子加速进入从加速原理到加速器的发展阶段，如何进一步提升加速品质、加速能量，同时改善其稳定性是使其真正成为可以稳定运行的紧凑型高能粒子源的关键。这种紧凑型的电子源有望推动未来高能对撞机和紧凑型先进光源的创新发展，成为产生高峰值亮度相干X射线源、伽马光源等的可行方案，从而大幅拓展其在物理、化学、医疗、材料、信息、国防等领域的应用，同时也使得对台式化与可移动的高能粒子源有重要需求的应用场景成为可能。

推介人

吉亮亮   中国科学院上海光学精密机械研究所，研究员，主要研究方向超强激光与物质相互作用。

参考资料

[1] Donna Strickland, Gerard Mourou, Compression of amplified chirped optical pulses, Opt. Comm. 55, 447(1985).

[2] T. Tajima and J. M. Dawson, Laser Electron Accelerator, Phys. Rev. Lett. 43, 267(1979).

[3] Courtesy of W. Mori & L.O. Silva.

[4] J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy & V. Malka, A laser–plasma accelerator producing monoenergetic electron beams, Nature 431, 541 (2004); S. P. D. Mangles, C. D. Murphy, Z. Najmudin, A. G. R. Thomas, J. L. Collier, A. E. Dangor, E. J. Divall, P. S. Foster, J. G. Gallacher, C. J. Hooker, D. A. Jaroszynski, A. J. Langley, W. B. Mori, P. A. Norreys, F. S. Tsung, R. Viskup, B. R. Walton & K. Krushelnick, Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser–plasma interactions, Nature 431, 535 (2004); C. G. R. Geddes, Cs. Toth, J. van Tilborg, E. Esarey, C. B. Schroeder, D. Bruhwiler, C. Nieter, J. Cary & W. P. Leemans, High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding, Nature 431, 538 (2004).

[5] A. J. Gonsalves, K. Nakamura, J. Daniels, C. Benedetti, C. Pieronek, T. C. H. de Raadt, S. Steinke, J. H. Bin, S. S. Bulanov, J. van Tilborg, C. G. R. Geddes, C. B. Schroeder, Cs. Tóth, E. Esarey, K. Swanson, L. Fan-Chiang, G. Bagdasarov, N. Bobrova, V. Gasilov, G. Korn, P. Sasorov, and W. P. Leemans, Petawatt Laser Guiding and Electron Beam Acceleration to 8 GeV in a Laser-Heated Capillary Discharge Waveguide, Phys. Rev. Lett. 122, 084801(2019).

[6] J. P. Palastro, J. L. Shaw, P. Franke, D. Ramsey, T. T. Simpson, and D. H. Froula, Dephasingless Laser Wakefield Acceleration, Phys. Rev. Lett. 124, 134802(2020); C. Caizergues, S. Smartsev, V. Malka & C. Thaury, Phase-locked laser-wakefield electron acceleration, Nature Photonics14, 475 (2020).

[7] Manuel Kirchen, Sören Jalas, Philipp Messner, Paul Winkler, Timo Eichner, Lars Hübner, Thomas Hülsenbusch, Laurids Jeppe, Trupen Parikh, Matthias Schnepp, and Andreas R. Maier, Optimal Beam Loading in a Laser-Plasma Accelerator, Phys. Rev. Lett. 126, 174801(2021).

[8] Andreas R. Maier, Niels M. Delbos, Timo Eichner, Lars Hübner, Sören Jalas, Laurids Jeppe, Spencer W. Jolly, Manuel Kirchen, Vincent Leroux, Philipp Messner, Matthias Schnepp, Maximilian Trunk, Paul A. Walker, Christian Werle, and Paul Winkler, Decoding Sources of Energy Variability in a Laser-Plasma Accelerator, Phys. Rev. X 10, 031039 (2020).

[9] Sören Jalas, Manuel Kirchen, Philipp Messner, Paul Winkler, Lars Hübner, Julian Dirkwinkel, Matthias Schnepp, Remi Lehe, and Andreas R. Maier, Bayesian Optimization of a Laser-Plasma Accelerator, Phys. Rev. Lett. 126, 104801 (2021)

[10] L. T. Ke, K. Feng, W. T. Wang, Z. Y. Qin, C. H. Yu, Y. Wu, Y. Chen, R. Qi, Z. J. Zhang, Y. Xu, X. J. Yang, Y. X. Leng, J. S. Liu, R. X. Li, and Z. Z. Xu, Near-GeV Electron Beams at a Few Per-Mille Level from a Laser Wakefield Accelerator via Density-Tailored Plasma, Phys. Rev. Lett. 126, 214801(2021).

[11] Fenxiang Wu, Zongxin Zhang, Xiaojun Yang, Jiabing Hu, Penghua Ji, Jiayan Gui, Cheng Wang, Junchi Chen, Yujie Peng, Xingyan Liu, Yanqi Liu, Xiaoming Lu, Yi Xu, Yuxin Leng, Ruxin Li and Zhizhan Xu, Performance improvement of a 200TW/1Hz Ti:sapphire laser for laser wakefield electron accelerator, Opt. Laser Technol. 131, 106453(2020).

[12] Wentao Wang, Ke Feng, Lintong Ke, Changhai Yu, Yi Xu, Rong Qi, Yu Chen, Zhiyong Qin, Zhijun Zhang, Ming Fang, Jiaqi Liu, Kangnan Jiang, Hao Wang, Cheng Wang, Xiaojun Yang, Fenxiang Wu, Yuxin Leng, Jiansheng Liu, Ruxin Li & Zhizhan Xu, Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator, Nature 595, 516(2021).

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前沿推介专栏

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

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