上海光機所激光尾波場電子加速研究取得重要突破

　　中科院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室徐至展、李儒新研究組于7月15日出版的國際學術期刊《物理評論快報》上發表論文（Phys. Rev. Lett. 107，035001（2011）），報道了首次利用電離注入的全光驅動雙尾波場級聯電子加速器方案，成功實現了電子注入與電子加速的兩個基本物理過程的分離與控制，實驗獲得了能量近GeV的準單能電子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果。該雙尾波場級聯加速方案的成功實現為未來產生高性能10 GeV量級甚至更高能量單能電子束提供了可行途徑，將對超強超短激光驅動的臺式化粒子加速器的發展與應用帶來深遠影響。

　　上述實驗研究是在該實驗室自行研制成功的飛秒拍瓦級超強超短鈦寶石激光實驗裝置上完成的。為了實現電離注入的全光驅動的雙尾波場級聯電子加速方案，他們提出了具有特色的兩段氣體噴流池的新型設計。第一段采用較高密度的氦氧混合氣體以實現電離注入，第二段采用較低密度的純氦氣體以實現等離子體尾波場加速。通過獨立控制電子注入和電子加速兩個基本物理過程并實現電子束在雙尾波場間的高效耦合以及激光相對論自導引傳輸等，成功地將第一級注入器產生的具有麥克斯韋分布（能散度100%）的低能電子束注入到第二級尾波場加速器（氣體噴流池長度僅為3 mm）中加速，實驗獲得了0.8 GeV的準單能電子束，對應的加速梯度達到了187 GV/m的超高量級。

　　審稿人高度評價該論文：“該論文研究了臺式化粒子加速器發展中關于級聯技術的非常重要且引人關注的課題。論文中報告的實驗工作展示了一種可行的解決方案及其發展潛力。”；“據我所知，作者們的實驗是第一次展示兩級激光驅動的電子加速。……作者報告的結果是相當引人注目并在科學上堅實可靠的。”

　　超強超短激光驅動的尾波場電子加速器相比于傳統的高能粒子加速器而言，極限加速電場高出三個量級以上，為實現小型化的高能粒子加速器提供了新原理和新方法，也將對未來的同步輻射裝置、自由電子激光以及高能粒子物理等的研究與發展產生重要影響。迄今激光尾波場電子加速研究已取得了顯著進展，但國際上廣泛采用的傳統的單級加速方案仍面臨難以克服的障礙，如電子注入和電子加速兩個基本物理過程不能分別控制等。而級聯電子加速方案具有對電子注入和電子加速兩個物理過程分別控制與優化等方面的優點，將是未來實現高性能10 GeV量級甚至更高能的單能電子束的可行方案，特別是對臺式化X射線自由電子激光等領域的發展具有重要的推動意義。該研究組報道的首次利用電離注入的全光驅動級聯加速方案，實驗成功獲得能量近GeV的準單能電子束和 187 GV/m的超高加速梯度等突破性成果，為將來發展基于雙級乃至多級尾波場級聯加速的小型化10 GeV-TeV級電子加速器奠定了關鍵科學技術基礎。

　　該項研究得到國家973計劃、國家自然科學基金、國家科技部國家重點實驗室專項和中科院重要方向性項目等的支持。