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千赫兹单周期激光脉冲驱动相对论电子束

发布时间: 2017-08-20 14:54:50   作者:本站编辑   来源: Nat. Photon.   浏览次数:

  

   

  激光等离子体加速是一种短距离加速电子的新兴技术。加速电子束具有飞秒持续时间,使其特别适合超快成像或飞秒X射线产生。当前激光等离子体加速器可将电子加速至100MeVGeV,采用的激光系统为焦耳量级,尺寸相对较大,且频率较低。毫无疑问,发展高重频激光等离子体加速器对获取低能电子是非常有用的。在空泡区激光尾场加速可产生窄能散小发散度的高质量相对论电子束,在该范围内,空泡横纵向尺度与等离子体波长可比拟,当该条件在高强度下时,强度I处于10181019W/cm2之间,这将激发起非线性尾场。电子将注入到离子腔尾部的加速场中,从而形成飞秒时间尺度束团。此外,横向场聚焦会形成低发散度的电子束。

  1. 千赫兹电子束测量方法

  尽管这一作用范围采用焦耳量级,30fs激光系统,当达到毫焦耳量级,千赫兹激光系统时会面临极大的挑战:EL∞τ3∞λ3p,其中EL是激光能量,从焦耳量级下降到毫焦耳量级,降低了1000倍,从而激光脉冲持续时间由30fs降低到了3fs,即单周期。而等离子体波长也要小,即2微米,对应等离子体密度为2.5×1020cm-3,而根据定标率这将产生10MeV能量范围的电子束。

  本实验采用2.1mJ3.4fs激光脉冲聚焦至100微米直径的氦气喷流中,激光聚焦强度可高达约3×1018Wcm-2,可将氦电离到5价,对应电子等离子体密度约为12×1020cm-3,如图1所示为实验观测的电子束图样,其中1a所示,电子束发散度仅为45mrad,束指向稳定性较高。图1b表明束电荷量与电子密度相关,随着激光更靠近喷嘴而增加。如图1c1d所示为电子能谱图。峰值强度为5MeV,能散3MeV。尽管这些结果确定了激光等离子体加速的稳定性,采用单周期激光脉冲仍体现了新的物理效应,例如载波包络相位的影响。此外,该短脉冲覆盖极宽的光谱,因此色散效应也不能被忽略。实验参数分析表明在激光脉冲到达喷气中心前已经积累了-11.5fs2的负啁啾,在焦点前25微米,啁啾量为-8.2 fs2

  粒子模拟重建了实验结果并确定了以上解释,如图3a所示为激光脉冲在等离子体中的演化过程,模拟表明了啁啾脉冲的压缩和自聚焦,在等离子体中心达到I~5.5×1018Wcm-2,并与激光脉冲共振,从而激发起大幅度等离子体波。此外,在该强度下激光脉冲可将氦原子电离至5价,图3a中蓝线体现该电离注入是局域的,只维持极小的长度,电子在激光尾部被注入到第一级离子腔中,脉冲宽度为1fs。模拟同时也确定了负啁啾对电子加速没有作用。尽管模拟肯定了色散的重要性,但也表明非线性效应下脉冲演化的复杂性。色散,电离,等离子体波效应均对激光脉冲产生影响。

  2. PIC模拟结果

  这一研究进展使研究人员在更加小型紧凑的激光系统上研究激光尾场电子加速,飞秒千赫兹的电子束将在如飞秒电子衍射,X射线超快成像领域发挥重要作用。

摘译自:D. Guénot et al. Relativistic electron beams driven by kHz single-cycle light pulses, Nat. Photon. 10 APRIL 2017

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