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<\(%#)&#$%Z年!-O.-实验室的-;;F?:B等通过采用 >JF长的毛细管引导激光与等离子体作用!产生了Z7#<X;4的高能电子束(%!)!取得了激光加速历程上 的又一突破&#$%<年!0?BB59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(%Z)& ;?E 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&#$$#年!(9PE5U等(%<)发现!一些传播在 空泡边缘的电子可以被困在其后方靠近轴的位置!进而在激光的尾部产生了一个只有离子存在的空泡区 域!同时!一部分电子可以通过注射的方式进入腔内进行高能加速!即空泡加速机制&要利用尾波加速产 生单能电子束!需要满足两个条件"一个是电子的捕获#注入$'另一个是要有稳定的加速场&所谓的空泡 加速之所以可以产生准单能电子束!关键在于这两个条件都能满足&(5665JP等在空泡制度下的激光尾 波场加速实验中!通过仿真模拟得出!当电子被困于第二个时间段时!这些电子与通过激光的自聚焦以及 电子的相互移动而形成的两个动态区域相互作用!得到了超相对能量的电子环结构!这些电子环的能量 达到%R$"#"$2;4#能散<\"#<\$(%&)&#$%!年!.?P?TAF?等提出了几种利用空泡加速机制的加速方 案!有望在(;@?W?@@,V9A@?:;-?B;H装置的!7<P8!<$$CB拍瓦激光器上将电子能量提高到%$$X;4(%R)& B 其他加速机制 /?MLP5U?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#$%!年!/?6?FA:等就对不同啁啾参数下的电子加速进行了研究(#$)& 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 +#"%+