激光尾场加速器——电子注入

激光尾场加速器

注入方案

在常见的激光尾场加速中，自注入是比较常见的方法。由于其所依赖的是高度非线性的波破效应，即形成空泡后由空泡壁上的电子注入空泡尾部，这与激光自聚焦、等离子体密度分布、空泡的变化等有很大的关系，而这些又是不稳定的，这就导致单能性电子的可重复性不高，不利于实际的应用。

相应的解决办法就是添加一个外部因素来控制电子的注入过程，就目前来说，比较成功的应该算是激光对撞电子注入、密度梯度法注入和电离注入这三种方案。

1 激光对撞电子注入

激光对撞的原理是一束驱动光产生尾场，另一束光反向传输，使两束超短激光在某一位置平行对撞，从而形成一个相速度为零的拍频波，也即驻波，由于该拍频波的有质动力非常大，F≅2a0a1/λ0，所以可以对电子进行预加速，使得在拍频波区域内的电子满足注入条件而获得注入。此外，通过改变焦点对撞位置，也可以改变电子的注入位置。通过这样，就同时解决了电子注入和电子注入位置的控制这两个问题，从而可以得到能量可控的稳定电子输出。

对撞注入可用于分开控制加速和注入过程。同时，电子束的能量可以通过两束脉冲的延时时间控制，即控制加速长度；电子束的电量和能散可以通过脉冲的强度实现控制。在对撞注入中有两种注入方式：冷注入和热注入（如下图）。所谓热注入，即电子从等离子体波处获得能量，动量变大后注入。冷注入即采用圆偏光对撞，产生一个驻波，电子被驻波束缚不再纵向运动，然后与驱动光场失相，注入到尾场中，动量不发生变化。

对撞方案中，对撞区域的尾场与单脉冲区域激发尾场不同，电荷分离结构更加精细，抑制了尾场的产生。如下图，在x=±75k0−1之间为对撞区域，尾场重新分布并被抑制，并且与激光的偏振有关，尤其是正圆偏振和平行线性光两种情况。这是由于对撞项k0a0a1cos(2k0x)强烈降低了电子在纵向距离大于λ02⁄区域运动的可能性，因此电荷分离情况也与一般情况不同。这种尾场抑制会减少俘获电量。在预加热时，电子的纵向归一化速度不会超过尾场速度（哈密顿量也一样）；在碰撞区，电子被加热至超过临界值，从而被尾场俘获。注入电量与加热过程无关，并且被加热电子有部分由于动量不足，向后滑动，直到第二、三空泡才被俘获（低能）。一般而言，平行线偏振脉冲注入电荷量更大。

此外，注入的电子束所受加速过程也不相同。电子前沿会减小尾场，电子尾部所受加速场较低（由于负载效应），分布如下图，能散会扩大。因此，负载效应也会减小注入电荷量。负载第二、三空泡的电子束会被加速至低能量（X. Davoine, et al., Physics of Plasmas (1994-

present) 15 (2008).）。碰撞位置对电子束性质也会有影响，例如，碰撞越晚，注入电量越高，抑制尾场对其影响越小，并且电子越易注入。

2006年，法国Optique Appliquee实验室的J.Faure小组就在其2004年实验的基础上，利用两束脉宽为30fs，a值分别为1.3和0.4的激光脉冲，在密度为7.5×1018cm−3的1.5mm长的等离子体区域实现了电子的稳定可控注入，结果如图4所示。图中红线的误差棒是反映电子能量的稳定性，可以看出，在电子能量小于200MeV的区域内，电子的能量都是十分稳定的。

图4

当然，这种方案也存在一定的问题，第一就是实验的复杂程度加大了，需要两束超短脉冲，这可以通过从连续飞秒激光器中引出两个脉冲或者对单发的脉冲进行分束来解决，此外，还要解决两束激光的空间重合（um量级）和时间同步（fs量级）问题，如果不解决好这两个问题，肯定会对电子注入和电子束的质量存在影响；

第二，由于满足条件的电子，只是在拍频区域内部的少量电子，所以电子电量，特别是高能电子的电量下降了很多，如J.Faure小组的实验中，200MeV的电量即由04年的500pc 下降到06年的少于10pc，也就是说，这种方案对密度是有要求的，太低的密度会导致电量非常少！这对于高能量的电子加速来说是十分不利的；

第三，拍频波不仅存在纵向有质动力，也存在横向有质动力，也就是说，被纵向加速的电子也同时在被横向加速，这点可能会对电子的发散性造成影响，如本实验中的发散性平均

在6mrad左右，就可能受到它的影响；

第四，电子的稳定输出是限于小于200MeV的，高能电子的抖动仍然存在，之所以会这样，我觉得是由激光的自聚焦效果不稳定造成的。因为想要获得比较高能的电子，就必然需要激光有很好的自聚焦能力，从而保证空泡能够稳定传播较长的距离（如达到cm量级），每次实验中，自聚焦效果的差异就会导致高能电子的抖动，所以，为了获得稳定的高能电子输出，不光要解决电子的可控注入问题，激光的稳定自聚焦也是十分重要的！

2. 密度梯度注入法

密度梯度注入法也是一种对电子进行可控注入的方案，其核心在于将激光聚焦在一段密度下降区，由于在该区域等离子体波的波长变大，导致尾波场的相速度变小，变小的幅度正比于尾波场与激光脉冲的距离和密度下降的梯度。当尾波场的相速度与电子的热速度相当时，就可以实现注入了。

2008年，Lawernce berkely实验室的Geddes小组通过将10TW，47fs的激光脉冲聚焦在一段密度为2.2×1019cm−3、长度为750um的喷气区域的密度下降沿，实现了1MeV能级的密度梯度注入实验，获得了非常稳定的电子束输出，电子束电量为0.5nC（稳定性15%）、中心能量稳定在0.76±0.02MeV范围、能量分布的FWHM为0.17MeV，指向稳定性为2mrad。

该实验虽然验证了密度梯度注入的可行性，但由于其尾波场持续的距离太短（200um），获得的电子能量非常的低。虽然如此，但是其异常稳定的低能电子可以作为下一级尾波加速场的种子源而获得能量高、单能性好并且稳定的电子输出。

但在，这样也可能存在别的问题，比如说，要激发第二级的尾波场，那相应的激光能量肯定要比较高的，由于高能激光对等离子体的扰动肯定要比实验中的10TW强烈的多，那在该条件下密度梯度注入是否还能达到这样的稳定性还未可知。

2010年，法国Optique Appliquee实验室的J.Faure小组也就密度梯度注入的方案进行了实验，只不过，考虑到直接在喷气下降沿进行注入的话，电子的加速过程实在是太短，他们采取了人为制造密度梯度的方法，即通过135°斜入射的辅助激光束产生一个相应于轴线成135°角的等离子体通道，如图5所示，通道的存在产生了一个比较大的密度梯度，而尾波场在该处进行波破注入后，又继续对注入的电子进行加速。

实验中，injection beam的脉宽为30-40fs，焦斑为25um，功率密度为1.5×1018Wcm−2，pump beam的脉宽为30fs，焦斑约为20um，功率密度为3.6×1018Wcm−2。两束光都聚焦在原子密度为5×1018cm−3，长为3mm的gas jet的中部，在注入之后，还有大概1.5mm的加速距离，且该距离与电子密度为1×1019cm−3条件下的失相长度相当。