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>$年代早期!激光脉冲的宽度一般都大于等离子体波的长度!激光场的强度 又低于相对论自聚焦阈值!因此得到了相当多的关注!有不少实验和理论研究成果相继发表&其中较突 出的是%>>!年!+6?L@5:等将#7%2;4的电子注入到两束+'# 激光聚焦产生的拍波结构中!在%&FF的 加速距离上将电子的能量提高到#"2;4!加速电场达到#7"X4,F(Z)&随着超短超强激光脉冲技术的发 展!人们的研究重心逐步转向单个激光脉冲激发尾波场加速电子过程& ;?B 自调制尾波场加速 为了解决(O],限制!,:MH;;U等(<)和 ^H?66等(&)提出了一种新方案!即自调制尾波场加速 /2= -][,&这种机制采用的是单束的/激光脉冲长度大约是几个等离子波长的激光脉冲!运行在密度较高 的等离子体中!而且激光的功率大于激光自聚焦的临界功率&通过系列作用!激光被分级为很多波长为 &W 的短脉冲!这些短脉冲与等离子体共振!起到加速的作用&伦敦帝国理工大学 25M;:?等利用功率为 #$)]!持续时间$7"IB!激光中心聚焦强度<h%$%" ],JF# 的激光!经过ZFF的相互作用距离!获得能 量ZZ2;4的电子束&这次实验首次证明了激光加速梯度可到%$$X4,F&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& ;?D 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&#$%$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X;4的准单能电子束和%"RX4,F的超高加速梯度等突破性研究成 果(R)!实验装置图如图#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& 图B HG>$实验装置图 >#)?B S1=/0,-#1"4/C%/2#0/(-,&3/-+%4"2-=/1,31,!/!HG>$ 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! +#"$+