第38卷第3期 光学仪器 Vol 38, No. 3 2016年6月 OPTICAL INSTRUMENTS June, 2016 文章编号:1005-5630(2016)03-0278-05 激光等离子体加速电子机制研究进展 罗伟1·2,黄颖,孙宇1:2,安妮 (1.东北石油大学电子科学学院,黑龙江大庆16331 2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心,黑龙江大庆163318) 摘要:通过激光等离子体相互作用获得的高能电子束流在医学成像、癌症治疗、快点火聚变以及 天体物理学等方面有着广泛的应用前景。随着啁啾脉冲放大技术的不断发展,激光脉冲的强度 大幅提高的冋时脉冲持续时间逐渐减小,超短超强激光脉冲与等离子体相互作用中激发出的大 振幅的等离子体尾波能够有效地提髙加速电子的能量。通过介绍近年来激光等离子体加速电 子的主要加速机制的同时介绍该领域一些新的研究进展, 关键词:激光等离子体相互作用;电子加速;啁啾脉冲放大技术 中图分类号:TF806.83文献标志码:Adoi:10.3969/.iss.1005-5630.2016.03.017 Development of electron beam from laser-plasma interaction LUO Wei, HUANG Ying, SUN Yu,AN Ni (1. College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318. China 2. University-Enterprise R& D Center of Measuring and Testing Technology & Instrument and Meter Engineering in Heilongjiang Province. Daqing 163318. China) Abstract: Electron beam acquired by laser-plasma acceleration has great potential in the applications of medical imaging, cancer therapy, fast ignition in inertial fusion, and astrophysics. With the continuous development of chirp plus amplification technology, the intensity of the laser pulse increases rapidly while the laser beam duration reduce dramatically. With such ultra-short, ultra-intense laser pulse interacting with plasma, it can stimulate high amplitude plasma wave, which can accelerate the electrons to high energies. In this paper, we introduce the main schemes for laser-plasma electron acceleration, and some new research progress in recent years. Keywords: laser-plasma interaction; electron acceleration; chirped pulse amplification 引言 高品质电子束流在物理学、医学等方面有着大量的应用需求,然而由于空间电场梯度等限制,传统加 速器体积庞大而且造价极高,所以如何在短距离内获得高品质的电子束流一直是物理学探索的前沿课 题。随着激光技术的出现,1979年 Tajima等首先从理论上验证了基于激光与等离子体相互作用产生等 收稿日期:2015-0807 项目:黑龙江省教育厅海外学人科研资助项目(N.1253HQ014);黑龙江省留学归国人员科学基金资助项目(LC2013C 作者简介:罗伟(1977-),男,副教授,主要从事中高能物理、激光与物质相互作用方面的研究。Emal:lwsy11@163.cm 信作者:黄颖(1990—),女,硕士研究生,主要从事仪器科学与技术方面的研究。 E-mail: huangying2@126.cm
第!"卷 第!期 #$%&年&月 光 学 仪 器 '()*+,-*./)0123.)/ 4567!"!.57! 89:;!#$%& 文章编号"%$$RR%$!男!副教授!主要从事中高能物理/激光与物质相互作用方面的研究&3=F?A6"6WBLR%%!%&!7J5F 通信作者!黄 颖#%>>$%$!女!硕士研究生!主要从事仪器科学与技术方面的研究&3=F?A6"E9?:GLA:GZ#!%#&7J5F 激光等离子体加速电子机制研究进展 罗 伟%"#"黄 颖%"孙 宇%"#"安 妮% #%7东北石油大学 电子科学学院!黑龙江 大庆 %&!!%"' #7黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心!黑龙江 大庆 %&!!%"$ 摘要!通过激光等离子体相互作用获得的高能电子束流在医学成像'癌症治疗'快点火聚变以及 天体物理学等方面有着广泛的应用前景!随着啁啾脉冲放大技术的不断发展"激光脉冲的强度 大幅提高的同时脉冲持续时间逐渐减小"超短超强激光脉冲与等离子体相互作用中激发出的大 振幅的等离子体尾波能够有效地提高加速电子的能量!通过介绍近年来激光等离子体加速电 子的主要加速机制的同时介绍该领域一些新的研究进展! 关键词!激光等离子体相互作用%电子加速%啁啾脉冲放大技术 中图分类号!)["$&7"! 文献标志码!, !"#"%$7!>&>&T7ABB:7%$$R>年)?TAF?等首先从理论上验证了基于激光与等离子体相互作用产生等
第3期 罗伟,等:激光等离子体加速电子机制研究进展 279 离子体波的电子加速器的可行性。他们指出,激光驱动等离子体波形成的强电场可以使带电粒子加速 到相对论能量。 伴随着啁啾脉冲放大技术的岀现,高能量密度激光技术进人了一个新的领域。随着激光脉冲长度的 不断缩减,激光器峰值功率不断提高,激光和等离子体的相互作用显现了许多新的物理现象。超短超强 激光脉冲可以非常容易地使初始为静态的电子加速到相对论能量,更重要的是,超短超强激光脉冲可以 通过有质动力激发大振幅的等离子体波,通过各种不同的加速机制使电子加速获得更高能量,加速梯度 可达到100GeV/m,是传统加速器的1000倍 本文总结了近年来一些关于激光等离子体电子加速方面的主要的几个加速机制以及最新的研究进展。 1主要加速机制 根据等离子体波生成的方法,激光等离子体加速电子的主要机制有激光尾波场加速度( laser wakefield acceleration,LWFA)、等离子体拍频波加速度( plasma beat wave acceleration,PBWA)激光自 调制尾波场加速( self-modulate laser wakefield acceleration,SM-LWFA)和空泡加速机制( bubble regime acceleration,BRA)。这几种加速机制中激光脉冲与等离子体波之间的关系[2如图1所示 振幅↑ (a)等离子体拍频波加速 自调制激光脉冲 振幅A (b)自调制尾波场加速 等离子体波 激光脉冲 VV (c)激光尾波场加速 图1激光等离子体加速电子机制示意图 Fig. 1 Laser-driven plasma acceleration schemes 1.1等离子体拍频波加速 等离子体拍频波加速度(PBWA)是采用两束长激光脉冲同时入射。分别设两个脉冲的频率为on
第!期 罗 伟!等"激光等离子体加速电子机制研究进展 离子体波的电子加速器的可行性(%)&他们指出!激光驱动等离子体波形成的强电场可以使带电粒子加速 到相对论能量& 伴随着啁啾脉冲放大技术的出现!高能量密度激光技术进入了一个新的领域&随着激光脉冲长度的 不断缩减!激光器峰值功率不断提高!激光和等离子体的相互作用显现了许多新的物理现象&超短超强 激光脉冲可以非常容易地使初始为静态的电子加速到相对论能量!更重要的是!超短超强激光脉冲可以 通过有质动力激发大振幅的等离子体波!通过各种不同的加速机制使电子加速获得更高能量!加速梯度 可达到%$$X;4,F!是传统加速器的%$$$倍& 本文总结了近年来一些关于激光等离子体电子加速方面的主要的几个加速机制以及最新的研究进展& ; 主要加速机制 根据等离子体波生成的方法!激光等离子体加速电子的主要机制有激光尾波场加速度#6?B;H W?P;CA;6M?JJ;6;H?@A5:!-][,$/等离子体拍频波加速度#I6?BF?N;?@W?U;?JJ;6;H?@A5:!(O],$/激光自 调制尾波场加速#B;6C=F5M96?@;6?B;HW?P;CA;6M?JJ;6;H?@A5:!/2=-][,$和空泡加速机制#N9NN6;H;GAF; ?JJ;6;H?@A5:!O0,$&这几种加速机制中激光脉冲与等离子体波之间的关系(#)如图%所示& 图; 激光等离子体加速电子机制示意图 >#)?; H,3/25!2#./(%&,30,,11/&/2,-#"(31=/0/3 ;?; 等离子体拍频波加速 等离子体拍频波加速度#(O],$(!)是采用两束长激光脉冲同时入射&分别设两个脉冲的频率为#% +#R>+
280 光学仪器 第38卷 和∞,当mn-m=mp时,满足共振条件,两束激光通过拍频则可以产生波长为λ的驻波,这些驻波可以有 效地驱动等离子体波加速电子。然而,PBWA机制存在一些限制,比如,当等离子体波的振幅不断增加 时,由于相对论效应,相应的等离子体振荡频率就会降低,所以就会偏离了上述的共振条件,引起共振失 调。20世纪80年代中期至90年代早期激光脉冲的宽度一般都大于等离子体波的长度,激光场的强度 又低于相对论自聚焦阈值,因此得到了相当多的关注,有不少实验和理论研究成果相继发表。其中较突 出的是1993年, Clayton等将2.1MeV的电子注入到两束CO2激光聚焦产生的拍波结构中,在16mm的 加速距离上将电子的能量提高到28MeV加速电场达到2.8GV/m1。随着超短超强激光脉冲技术的发 展,人们的研究重心逐步转向单个激光脉冲激发尾波场加速电子过程 1.2自调制尾波场加速 为了解决PBWA限制, Andreev等和 Krall i等U提出了一种新方案,即自调制尾波场加速SM LwFA。这种机制采用的是单束的、激光脉冲长度大约是几个等离子波长的激光脉冲,运行在密度较高 的等离子体中,而且激光的功率大于激光自聚焦的临界功率。通过系列作用,激光被分级为很多波长为 λ的短脉冲,这些短脉冲与等离子体共振,起到加速的作用。伦敦帝国理工大学 Modena等利用功率为 20TW,持续时间0.8ps,激光中心聚焦强度5×1018W/cm2的激光,经过4mm的相互作用距离,获得能 量44MeV的电子束。这次实验首次证明了激光加速梯度可到100GV/m。由于自调制尾波场是由自调 制不稳定激发起来的,使得实验结果很依赖于初始等离子体状态,而且加速过程不稳定,电子能量是连续 分布,因此后续的研究工作较少 1.3激光尾波场加速 激光尾波场加速的原理是当一束强激光脉冲在稀薄的等离子体中传播时,激光脉冲的纵向有质动力将 电子从激光脉冲区域排开,从而通过共振激发出了一个很强的等离子体波,即尾波场。尾波场可以在很短的 距离上将电子加速到非常高的能量。2010年中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点 实验室研究人员首次利用电离注入的全光驱动双尾波场级联电子加速器方案,成功实现了电子注入与电子 加速的分离与控制,实验获得了能量近GeV的准单能电子束和187GV/m的超高加速梯度等突破性研究成 果,实验装置图如图2所示。这种双尾波场级联加速机制的成功实现为未来产生高性能的单能电子束提 供了可行途径,对超强超短激光驱动的台式化粒子加速器的发展与应用带来巨大影响。 荧光屏 磁头 CCD 反射镜 94%He+ 反射镜 透镜 6%02 分光镜 CCD 图2LWFA实验装置图 Fig 2 Schematic of experimental setup for the cascaded LWFA 为了使得到的粒子束具有很好的方向性以及单能性,科学家们在近几年提出了全光注入法。其中
光 学 仪 器 第!"卷 和##!当#%_##g#W 时!满足共振条件!两束激光通过拍频则可以产生波长为&W 的驻波!这些驻波可以有 效地驱动等离子体波加速电子&然而!(O], 机制存在一些限制!比如!当等离子体波的振幅不断增加 时!由于相对论效应!相应的等离子体振荡频率就会降低!所以就会偏离了上述的共振条件!引起共振失 调&#$世纪"$年代中期至>$年代早期!激光脉冲的宽度一般都大于等离子体波的长度!激光场的强度 又低于相对论自聚焦阈值!因此得到了相当多的关注!有不少实验和理论研究成果相继发表&其中较突 出的是%>>!年!+6?L@5:等将#7%2;4的电子注入到两束+'# 激光聚焦产生的拍波结构中!在%&FF的 加速距离上将电子的能量提高到#"2;4!加速电场达到#7"X4,F(Z)&随着超短超强激光脉冲技术的发 展!人们的研究重心逐步转向单个激光脉冲激发尾波场加速电子过程& ;?B 自调制尾波场加速 为了解决(O],限制!,:MH;;U等($实验装置图 >#)?B S1=/0,-#1"4/C%/2#0/(-,&3/-+%4"2-=/1,31,!/!HG>$ 为了使得到的粒子束具有很好的方向性以及单能性!科学家们在近几年提出了全光注入法&其中! +#"$+
第3期 罗伟,等:激光等离子体加速电子机制研究进展 281 比较突出的有密歇根大学 Umstadter等提出的激光注入法、 Easey等提出的碰撞光脉冲注入法以及 More等提出的激光电离加有质动力加速的全光学注入机制o 在2009年, Rechatin等提出了一种冷光注射的加速机制。与原有的那些光注入机制不同的是,这 种机制中的光注入并不是通过电子的加热所引起的,而是通过脉冲间的相互碰撞产生了一个空间周期性 的和长期有效的作用力。这个作用力阻止了电子的纵向运动,并引导电子注入到传播的激光脉冲尾波 中。这种加速机制可以在很小的能散范围内注入电子,从而获得密度很低的等离子体以及能散很低的高 能量电子束。 2013年,美国 Austin实验室通过自注入机制,在大于100J的PW级的激光器系统上,得到了能量超 过2GeV的准单能电子束,其中高能部分能散为5%1。2014年,LBNL实验室的 Leemans等通过采用 9cm长的毛细管引导激光与等离子体作用,产生了4.25GeV的高能电子束,取得了激光加速历程上 的又一突破。2015年, Sassou等指出,强大的纵向磁场对激光尾波场的加速也有一定的影响。 1.4空泡加速 随着啁啾脉冲放大的进一步发展,出现了可达到飞秒量级的超短超强激光脉冲,因此人们又重新开 始考虑用强激光脉冲的尾波场直接驱动等离子体波加速电子。2002年, Pukhov等发现,一些传播在 空泡边缘的电子可以被困在其后方靠近轴的位置,进而在激光的尾部产生了一个只有离子存在的空泡区 域,同时,一部分电子可以通过注射的方式进入腔内进行高能加速,即空泡加速机制。要利用尾波加速产 生单能电子束,需要满足两个条件:一个是电子的捕获(注入);另一个是要有稳定的加速场。所谓的空泡 加速之所以可以产生准单能电子束,关键在于这两个条件都能满足。 Pollock等在空泡制度下的激光尾 波场加速实验中,通过仿真模拟得出,当电子被困于第二个时间段时,这些电子与通过激光的自聚焦以及 电子的相互移动而形成的两个动态区域相互作用,得到了超相对能量的电子环结构,这些电子环的能量 达到170~280MeV(能散5%~25%)。2013年, Nakajima等提出了几种利用空泡加速机制的加速方 案,有望在 Petawatt Aquitane Laser装置的3.5kJ,500fs拍瓦激光器上将电子能量提高到100GeV 2其他加速机制 Sadykova等提出了一个新的加速机制——基于受激前向散射的等离子加速。他们认为,由于高强度 激光脉冲的长度很短,导致注入的电子束与等离子体波之间的交互作用时间很短,因此受激后向散射脉冲并 不适用于粒子加速,所以建议采用刺激前向散射的方式,以获得更久的粒子加速时间以及更长的加速距离。 近几年,很多研究人员考虑用线性啁啾脉冲去加速粒子[。通过啁啾脉冲,改变了激光脉冲原有的 对称性,在激光脉冲中会出现一个相位缓冲区。在该相位缓冲区中,由于激光具有强度较大、束宽较宽和 浮动性较小的性质,滞后的电子在该区域中可以较长时间处于同一强度从而获得二次加速,进而获得能 量较高、单准性较好的电子束。在2013年, Salamin等就对不同啁啾参数下的电子加速进行了研究 他们对比线性啁啾脉冲和平方性啁啾脉冲对加速电子能量的影响,得出线性啁啾加速电子的能量是平方 性啁啾脉冲加速电子能量的两倍。因为线性啁啾脉冲加人后,激光脉冲呈现梯形状,从而使电子能在准 静态的部分持续更长的时间,达到加速的目的。 3结论 激光等离子体加速在近三十年来取得了巨大进步。随着激光技术的发展,激光脉冲已经能够达到百 太瓦和飞秒的级别,在不同条件下不同的激光等离子体电子加速机制被发现并引导了实验上的成功。然 而,虽然实验上已经获得了一些非常好的准高能电子束,但是电子束的稳定性还不是很理想,仍将限制其 实际应用。因此,如何通过研究激光与等离子体相互作用机制,从而产生稳定的,准高能电子束仍是今后 研究的主要方向之一。 参考文献 [1] TAJIMA T DAWSON J M. Laser electronracceleratorDJ] Physical Review Letters,1979,43(4):267-270
第!期 罗 伟!等"激光等离子体加速电子机制研究进展 比较突出的有密歇根大学 1FB@?M@;H等提出的激光注入法(")/3?BH;L等提出的碰撞光脉冲注入法(>)以及 255H;等提出的激光电离加有质动力加速的全光学注入机制(%$)& 在#$$>年!0;JE?@A:等提出了一种冷光注射的加速机制(%%)&与原有的那些光注入机制不同的是!这 种机制中的光注入并不是通过电子的加热所引起的!而是通过脉冲间的相互碰撞产生了一个空间周期性 的和长期有效的作用力&这个作用力阻止了电子的纵向运动!并引导电子注入到传播的激光脉冲尾波 中&这种加速机制可以在很小的能散范围内注入电子!从而获得密度很低的等离子体以及能散很低的高 能量电子束& #$%!年!美国,9B@A:实验室通过自注入机制!在大于%$$8的(] 级的激光器系统上!得到了能量超 过#X;4的准单能电子束!其中高能部分能散为JF长的毛细管引导激光与等离子体作用!产生了Z7#)&通过啁啾脉冲!改变了激光脉冲原有的 对称性!在激光脉冲中会出现一个相位缓冲区&在该相位缓冲区中!由于激光具有强度较大/束宽较宽和 浮动性较小的性质!滞后的电子在该区域中可以较长时间处于同一强度从而获得二次加速!进而获得能 量较高/单准性较好的电子束&在#$%!年!/?6?FA:等就对不同啁啾参数下的电子加速进行了研究(#$)& 他们对比线性啁啾脉冲和平方性啁啾脉冲对加速电子能量的影响!得出线性啁啾加速电子的能量是平方 性啁啾脉冲加速电子能量的两倍&因为线性啁啾脉冲加入后!激光脉冲呈现梯形状!从而使电子能在准 静态的部分持续更长的时间!达到加速的目的& D 结 论 激光等离子体加速在近三十年来取得了巨大进步&随着激光技术的发展!激光脉冲已经能够达到百 太瓦和飞秒的级别!在不同条件下不同的激光等离子体电子加速机制被发现并引导了实验上的成功&然 而!虽然实验上已经获得了一些非常好的准高能电子束!但是电子束的稳定性还不是很理想!仍将限制其 实际应用&因此!如何通过研究激光与等离子体相互作用机制!从而产生稳定的!准高能电子束仍是今后 研究的主要方向之一& 参考文献! (%) ),8*2,)!K,]/'.827-?B;H;6;J@H5:=?JJ;6;H?@5H(8)7(ELBAJ?60;UA;W-;@@;HB!%>R>!Z!#Z$"#&R_#R$7 +#"%+
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光 学 仪 器 第!"卷 (#) D''^30/27K;U;65IF;:@BA:6?B;H=MHAU;:I6?BF??JJ;6;H?@5HB(8)7.?@9H;(E5@5:AJB!#$%!!R#%$$"RR">!!R$#%$"!R=Z$7 (>#!>!!Z"#!$"#%>&!R&#%#$"#$R!=#$R&7 (>) 3/,03a3!D1OO,0K0[!-332,./](!;@?6736;J@H5:A:T;J@A5:A:@5I6?BF?W?P;CA;6MBNLJ566AMA:G6?B;HI96B;B(8)7(ELBAJ?6 0;UA;W-;@@;HB!%>>R!R>#%Z$"#&"#_#&">>!"##"$"%&""=%&>%7 (%%) 03+D,)*.+![,1038!-*[/+D*)b,!;@?67d9?BAF5:5;:;HG;@AJ;6;J@H5:N;?FBIH5M9J;MNLJ566AMA:GJH5BB=I56?HAQ;M6?B;H I96B;BA:9:M;HM;:B;I6?BF?B(8)7.;W859H:?65C(ELBAJB!#$$>"$%!$%%7 (%#) ],.XS2!bX,Kb,807(ELBAJ?60;UA;W-;@@;HB!#$%Z!%%!##Z$"#Z=&#Z7 (%>) X,-']O8!/,-,2*.a*!-*/3a^*.,)4!;@?67K;:B;F5:5;:;HG;@AJIH5@5:N;?FBCH5FJEAHI;M6?B;H=I6?BF?A:@;H?J@A5:(8)7 (ELBAJ?60;UA;W-;@@;HB!#$%%!%$R#%"$"%"<$$#7 (#$) /,-,2*.a*!8*/0,]*. 2736;J@H5:6?B;H?JJ;6;H?@A5:A:U?J99FNL?V9?MH?@AJ?66LJEAHI;M6?B;HI96B;(8)7859H:?65C(ELBAJBO! #$%Z!ZR##$"$#<&$%7 #编辑"刘铁英$ +#"#+
