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激光加速新进展:固体靶超高电荷量相对论电子加速

来源:激光说

  发布:星之球科技

关键词:激光器 激光脉冲 激光技术

2018-07-05

 日前,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室陈黎明研究员和张杰院士带领的研究团队实现了同时具有极高电荷量和极小束团发散角的相对论电子束,这是激光加速的新进展。
该团队利用美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Titan激光器(功率:200TW,脉宽:1ps)与固体铜靶相互作用,产生了电荷量~100纳库,发散角小于3度,具有准单能能谱结构的相对论电子束。电子束的品质可以通过调节激光脉冲的对比度和能量来很好的控制。
通过理论分析和数值模拟还揭示了一种新型加速机制:通过激光预脉冲在固体表面提前离化产生近临界密度的预等离子体;主脉冲大角度入射预等离子体,在其中经历自成丝效应,部分细丝会被临界密度面反射,从而在低密度等离子体中形成通道;激光电场会在每一个光学周期内加速一群电子,这些电子群在等离子体通道内被加速成极高电荷量的电子束并被通道中极高的电磁场横向箍缩,从而具有高度的准直性。
通过分析电子能量增益来源,发现不同于典型的尾波场电子加速,通道内的电子能量主要来源于比等离子体波电场强度还要高的激光电场的直接加速,而等离子体通道的作用则是持续提供电子源、导引激光脉冲并对电子束进行箍缩,这样就形成了完整的加速结构。
得益于电子束团的极高电荷量和超短脉冲宽度,实验上产生的电子束的峰值电流超过100kA。电子束的亮度达到10^16A/m^2,可与目前传统加速器的最高电子亮度相媲美。
相关研究成果已发表于美国国家科学院院刊PNAS上。