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采用等离子体镜注入法实现相对论电子的真空中激光加速

发布时间: 2016-06-20 13:59:15   作者:本站编辑   来源: Nature Physics   浏览次数:

  

   

  目前飞秒激光的聚焦强度可达1018W/cm2, 利用如此高强度激光的一个重要前景即在极短的空间尺度内实现电子加速。在过去几十年里,采用激光在真空中直接对电子加速在理论上进行了大量的研究,其想法即将电子注入至超强激光场中,电子则在半个光周期中保持能量增益。与大量激光真空加速电子形成鲜明对比的是在实验上测量几乎没有,这主要是因为实验上实现电子在特定条件下注入到激光场位相中是充满挑战的。的确,要确保电子与激光位相同步,电子需要在轴线上与激光具有相同的速度。此外,电子也应该与其空间和时间尺度相匹配的场已经开始了相互作用,并且在固定的相位下发射。不满足这些条件下发射的电子将经历多个光周期,从而导致其振荡运动并加速或者减速,以至于最终能量增益很低。

  1. 真空激光加速实验数据

  等离子体镜由强激光与固体相互作用产生的稠密等离子体构成。由于其密度与固体密度相当,其反射率可高达80%,该等离子体镜的一个重要特征即其在很大程度上与镜子类似,其空间特征几乎不会发生较大的改变,即使是在很强的激光强度下。这主要是因为等离子体的膨胀被局限于亚皮秒的时间尺度内:等离子体与真空的边界体现为光学平整度,即使激光反射后,其波前仍不受影响。

  在等离子体镜反射过程中,超强激光也将在角反射方向附近排斥电子。本工作的核心思想即利用反射激光场作为等离子体镜注入器。这些电子在激光场下以固定位相发射,之后在超过瑞利长度尺寸内与该激光场相互作用。该实验在CEA100TW激光装置上进行,激光聚焦强度为2×1019W/cm2,焦斑半高全宽为5.5微米,瑞利长度为80微米。如图1所示为电子空间角分布图, 其发散度约为600mrad,角反射方向则为一个显著的空洞结构,该结构宽度为200mrad,与反射激光相当。该图的另外一个特征为该结构边缘具有电子亮斑,位于角反射和法线方向间,其发散度约为100mrad,远小于整个电子束发散度,其中亮斑内的电量约为3nC。图1b所示为在空洞两旁对称位置的电子束能量对比,相差5MeV,该能量差别直接解释了电子束的空间轮廓。亮斑位置为在合适注入条件下经历真空加速的电子,而另一部分则是有质动力散射造成的。

  如图1c所示为模拟所获得的电子角分布,与实验结果近乎一致,模拟中两种不同粒子的结果非常显著说明了真空加速和有质动力散射的差异。第一种情况,即真空加速的电子并不在场中振荡,而是直接在注入相位下沿着极化方向加速,并且获得了能量增益,直到其越过瑞利长度范围。与此相比,有质动力电子经历多个激光周期,并最终被激光束排斥,因而获得了较低的能量增益。根据模拟分析,真空加速电子在100微米内从1.5MeV加速至10MeV,即获得了近7倍的增益。此外,真空加速的另外一个特征即电子的注入相位:如果人为地改变其捕获位相π个相位,该亮斑将偏转至有质动力空洞的另外一边。

  该工作为多种条件下超强激光与自由电子的相互作用提供了新的前景。采用高聚焦强度的PW量级激光有望将电子加速至GeV量级。此外,采用双色场将有可能调制电子的注入相位。

  摘译自:M. Thévenet., Vacuum laser acceleration of relativistic electrons using plasma mirror injectors, Nature Physics, 12, 355–360 (2016)

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