李毅飛，李大章，王進光，朱常青，馮 杰，何雨航，陳黎明,3,*

(1.中國科學院 物理研究所 光物理重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院 高能物理研究所 加速器中心，北京 100049；3.中國科學院 物理研究所 松山湖材料實驗室，廣東 東莞 523808)

隨著高功率激光技術(shù)[5-6]的不斷進步和對加速物理過程的深入理解[4]，LWFA實驗研究在提高電子束能量[7-11]和改善電子束品質(zhì)[12-24]方面取得了巨大進展。在電子能量方面，目前的世界紀錄是由Leemans帶領的研究團隊于2019年報道的，他們利用850 TW、35 fs的激光脈沖，在20 cm長毛細管產(chǎn)生的預等離子體通道中傳輸，獲得了7.8 GeV的準單能電子束[14]。進一步提高能量需要更高的激光功率和更長的預等離子體通道，或通過級聯(lián)加速的方式[25]。不管是哪種方式，對激光功率、實驗技術(shù)都有很高的要求或挑戰(zhàn)性。另外，人們正在努力優(yōu)化LWFA產(chǎn)生的電子束品質(zhì)，目的是使其能作為次級粒子、輻射源的種子電子。

電子的注入過程是LWFA的一個關(guān)鍵問題，對電子在尾波場加速過程中的動力學行為有非常重大的影響，進而影響產(chǎn)生電子束的品質(zhì)和穩(wěn)定性。對于自注入方式，電子的注入過程依賴于波破等非線性效應，對激光脈沖的非線性演化非常敏感，因此激光或等離子體初始條件的微小變化都可能會造成每次電子注入、加速過程的不同，進而嚴重影響被加速電子參數(shù)的穩(wěn)定性。為克服自注入方式的不穩(wěn)定性，一些更加可控的注入方式被提出來，主要包括光學注入[15]、密度梯度注入[17-19]、電離化注入[26-28]。光學注入方式是利用額外1或2束激光脈沖加熱電子、擾動電子軌道實現(xiàn)注入，但對脈沖間的時空同步精度(fs、μm量級)要求非常高，實驗操作難度大。密度梯度注入是利用密度下降區(qū)尾波相速度減少來實現(xiàn)注入，但制造陡峭的密度下降區(qū)較困難，也會增加實驗的復雜性。電離化注入是利用高Z氣體(如氮氣、氧氣)內(nèi)外層電子較大的電離勢能差，使內(nèi)層電子只在激光強度的峰值區(qū)域或激光自聚焦后才被電離，在尾波場內(nèi)部獲得加速并被捕獲，具有較好的穩(wěn)定性和對電子束相空間控制的潛力。電離化注入的優(yōu)勢是具有更低的注入閾值，可工作在相對低的激光功率和等離子體密度下；但由于注入通常難于截止，電子束的能散較大。很多應用對電子束的單能性要求不高，但對其參數(shù)的穩(wěn)定性要求較高。通過將注入級和加速級分開[29-31]、調(diào)制等離子體密度分布[32]、引入額外的第2束激光脈沖[33-35]、設計初始的激光等離子體條件[36-39]等方式可優(yōu)化電離化注入電子束的能散。因此，近年來基于電離化注入的電子加速研究是一個熱點。氮氣K、L層電子的電離勢能差別很大[40]，N5+對應98 eV、N6+對應552 eV，需要的激光功率密度分別是約2×1016W/cm2和約6×1018W/cm2，因此氮氣非常適合作為電離化注入的加速介質(zhì)。

本文采用15 TW激光脈沖驅(qū)動尾波場加速，利用純氮氣作為氣體靶，對電離化注入產(chǎn)生的電子束進行詳細研究，并研究等離子體密度、相互作用位置、激光脈寬、激光能量對出射電子束品質(zhì)的影響，包括電子束的發(fā)散角、指向性、電荷量、能譜結(jié)構(gòu)等參數(shù)及產(chǎn)生概率。

1 實驗裝置

本實驗是在中國科學院物理研究所L05組的20 TW高功率fs激光裝置上進行的。實驗布局如圖1所示，包括激光打靶系統(tǒng)、激光焦斑監(jiān)測系統(tǒng)、電子參數(shù)診斷系統(tǒng)和光學診斷系統(tǒng)(包括Top-view系統(tǒng)和Nomarski干涉及陰影成像系統(tǒng))。利用Pellica將激光分為2束，其中92%的反射激光作為主脈沖，與氣體靶作用；8%的透射激光作為探針光，用于干涉和陰影成像。約400 mJ、25 fs、λ0=800 nm的主脈沖被F=12.5的離軸拋物面鏡(OAP)聚焦至1.2 mm×10 mm的超音速噴嘴上方2 mm處，實驗中用1.2 mm的長度。激光焦斑的束腰半徑w0約13 μm，能量集中度約60%，激光峰值功率密度I0約6×1018W/cm2，對應的歸一化矢勢強度a0約1.7。實驗使用純氮氣和純氦氣，通過Nomaski干涉和陰影系統(tǒng)來測量不同氣體背壓下的等離子體密度和陰影通道。利用Top-view成像系統(tǒng)，同時監(jiān)測800 nm湯姆遜散射光和可見光波段的等離子體自發(fā)光以監(jiān)測激光與氣體的相互作用。利用標定過的磷屏(DRZ-HIGH型)[41]和EMCCD，或IP(成像板)[42]，結(jié)合磁場強度0.9 T、長8 cm的電子譜儀測量出射電子束的發(fā)散角、電荷量、能譜、指向性等參數(shù)。電子譜儀入口處放置了接收角約12 mrad的準直器，以減小指向不穩(wěn)定性帶來的能量不確定度。

2 電離化注入電子束的產(chǎn)生和優(yōu)化

電離化注入需要的激光強度(對于氮氣，a0≥1.65即可)較自注入所需的激光強度(a0≈3)低得多；相同的激光功率下，電離化注入可工作在更低的等離子體密度下，有利于穩(wěn)定地獲得更高的電子能量[43]。對于20 TW激光裝置，初始的激光歸一化矢勢強度a0≈1.7滿足電離化注入的條件，可很容易實現(xiàn)電子注入，穩(wěn)定地加速電子。而自注入需要更高的等離子體密度、更長的演化距離，使激光脈沖在經(jīng)歷足夠的自聚焦、自壓縮等效應后，a0才能達到注入閾值，因此會一定程度上浪費激光能量和有效的加速長度，同時這種強烈的非線性演化會影響加速的穩(wěn)定性。實驗中，利用純氦氣作為自注入的加速介質(zhì)時，電子束的發(fā)散角、指向性、能譜的穩(wěn)定性都較電離化注入時差得多。因此，實驗采用純氮氣作為加速介質(zhì)，研究電離化注入的激光尾波場電子加速。為實現(xiàn)最優(yōu)的加速，穩(wěn)定地產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束，本文系統(tǒng)地研究等離子體密度、激光聚焦位置、激光脈寬以及能量對電子束的電荷量、發(fā)散角、峰值強度、指向性以及能量等參數(shù)的影響。

圖1 實驗布局Fig.1 Experiment setup

2.1 等離子體密度對電子束的影響

等離子體密度決定了失相長度、泵浦衰減長度和加速梯度，是LWFA中關(guān)鍵的參數(shù)之一，對電子束的能量、電荷量、發(fā)散角等影響巨大。實驗中，固定激光參數(shù)(約400 mJ、25 fs)，改變氣體背壓(即等離子體密度)研究其對出射電子束的電荷量、峰值強度、發(fā)散角的影響，結(jié)果如圖2所示。當?shù)入x子體密度低于3.8×1018cm-3時，在磷屏上探測不到電子束，表明尾波場強度太弱無法有效地捕獲、加速電子；而當?shù)入x子體密度高于1.5×1019cm-3時，電子束呈現(xiàn)為大散斑，表明電子沒有得到有效的加速。當?shù)入x子體密度為(8～11)×1018cm-3時，電子束的豎直發(fā)散角最小、峰值強度大，表明此區(qū)間的電子能量沒有明顯下降(對于LWFA，通常電子束的能量越高，發(fā)散角越小)。進一步提高等離子體密度，電子束的電荷量繼續(xù)增大，但由于失相長度減小，電子的能量會降低，發(fā)散角迅速增大；隨著等離子體密度的進一步增高，激光脈沖可覆蓋多個尾波場，此時以自調(diào)制尾波場加速為主，電子能譜將呈現(xiàn)麥克斯韋分布[4]，發(fā)散角更大、峰值強度顯著降低。優(yōu)化激光等離子體相互作用條件，在保證電子能量的前提下，穩(wěn)定地獲得更大電荷量的電子束是實驗目標。

2.2 聚焦位置對電子束的影響

聚焦位置會影響激光脈沖在等離子體中的自演化和有效加速長度。固定激光參數(shù)(約400 mJ、25 fs)和氣體背壓(0.345 MPa)，改變噴嘴與激光焦點的相對位置，研究其對電子束的電荷量、峰值強度、發(fā)散角和峰值能量的影響，結(jié)果示于圖3[45]。以噴嘴前沿為零點(z=0)，激光傳輸方向為正。當z≤-200 μm和z≥2 500 μm時，沒有電子產(chǎn)生。從圖3可發(fā)現(xiàn)，激光聚焦在噴嘴前沿附近時電子束品質(zhì)最好，峰值強度最高、峰值能量最大、發(fā)散角小，這是由于聚焦在前沿時，有效加速距離長，電子得到了充分加速。隨著焦點向噴嘴后沿移動，有效加速距離變短，電子峰值能量逐漸減小，發(fā)散角不斷增大。當聚焦在400 μm≤z≤1 000 μm之間時，電子束的發(fā)散角、電荷量對聚焦位置的變化不太敏感，這非常有利于通過等離子體鏡反射的方式來產(chǎn)生逆康普頓散射。在保證電子束電荷量基本不變的情況下，聚焦位置靠近噴嘴后沿，可增強反射激光的強度，進而可提高X射線的產(chǎn)額[45]。

2.3 激光脈寬對電子束的影響

在其他條件最優(yōu)的情況下，利用Dzzeler(可編程的聲光色散濾波器)精確地引入二階色散(GDD)，從而控制激光的脈寬；二者的對應關(guān)系為τ′=τ0(1+(4ln 2×φ″/τ0)2)1/2，其中τ0、τ′分別為展寬前、后的脈寬，φ″為引入的二階色散量。不同脈寬下電子束的水平和豎直發(fā)散角及電荷量和峰值強度示于圖4。在最短脈寬時，電子束的發(fā)散角最小、峰值強度最高，說明此時電子加速效果最好，電子束的能量最高。脈寬變長后，電子束的水平發(fā)散角明顯增大、橢圓率變大，表明電子與激光場發(fā)生了相互作用。引入二階色散，除了改變脈寬，還會引入正負啁啾。正負啁啾對電子加速的影響研究詳見文獻[46]。

圖2 不同等離子體密度下電子束的發(fā)散角及電荷量和峰值強度Fig.2 Divergences and charge and peak intensity of electron beam under different plasma densities

圖3 不同離焦位置下電子束的發(fā)散角和峰值能量及電荷量和峰值強度Fig.3 Divergence and peak energy and charge and peak intensity of electron beam under different focus positions

2.4 激光能量對電子束的影響

通過調(diào)諧波片與薄膜偏振片的角度，可線性衰減激光能量。在其他條件最優(yōu)的情況下，發(fā)現(xiàn)電子束的電荷量、峰值強度、發(fā)散角與激光能量(歸一化到激光最大能量)基本呈線性關(guān)系，如圖5所示。當激光能量降低時，電子的產(chǎn)生概率也降低。顯然，更高的激光功率可激發(fā)更強尾波場，使電子注入更加容易，可捕獲更多的電子，并將其加速到更高的能量。

3 高品質(zhì)電子束的穩(wěn)定產(chǎn)生

基于上述實驗結(jié)果，在最優(yōu)相互作用條件下，即將約400 mJ、25 fs的激光脈沖聚焦至噴嘴前沿，與0.345 MPa的氮氣作用時，獲得了產(chǎn)生概率100%的穩(wěn)定電子束。統(tǒng)計連續(xù)30發(fā)電子的發(fā)散角和指向性，其水平、豎直發(fā)散角分別為(6.5±0.5) mrad和(5.3±0.3) mrad，水平、豎直指向性抖動在±1.2 mrad和±0.7 mrad之間，如圖6c所示。作為對比，使用氦氣靶時，最佳條件下的電子產(chǎn)生概率只有75%，電子束的發(fā)散角、指向性以及輪廓穩(wěn)定性都明顯變差。圖6a、b為氮氣靶時連續(xù)4發(fā)電子的能譜，可見其具有非常類似的能譜結(jié)構(gòu)，其峰值能量約(135±8) MeV，電荷量(13.5±2.0) pC(>50 MeV)。在后續(xù)實驗中，進一步優(yōu)化激光傳輸、打靶系統(tǒng)，得到了發(fā)散角更小、指向性更好、能量更高、能譜結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的電子束[45]。盡管電子束的能譜是連續(xù)的，通過前文提到的一些方式可優(yōu)化其能散，使其具有準單能性。例如，合理選擇初始的激光強度和等離子體密度，使激光強度僅在很短的傳播距離上高于電離化注入閾值，從而降低電子束的能散[39]。

圖4 不同脈寬下電子束的發(fā)散角及電荷量和峰值強度Fig.4 Horizontal and vertical divergences and charge and peak intensity of electron beam under different laser pulse durations

圖5 不同激光能量(歸一化到最大值)下電子束的發(fā)散角及電荷量和峰值強度Fig.5 Horizontal and vertical divergences and charge and peak intensity of electron beam under different laser energy (normalized to maximum value)

圖6 電子能譜(a、b)和電子指向穩(wěn)定性(c)Fig.6 Electron energy spectrum (a, b) and pointing stability of electron beam (c)

4 結(jié)論

利用中國科學院物理研究所的20 TW激光裝置，研究了fs激光與氮氣、氦氣靶的相互作用。系統(tǒng)研究了氮氣背壓(等離子體密度)、離焦、激光脈寬以及能量對產(chǎn)生電子束的電荷量、發(fā)散角、能量、指向性的影響。最優(yōu)條件下，電子的產(chǎn)生概率高達100%，電子束的能譜、電荷量、發(fā)散角以及指向性都非常穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明，對于10 TW量級的激光器，基于電離化注入的LWFA是一種產(chǎn)生高質(zhì)量電子束簡單、有效的方式。如此穩(wěn)定的電子束，為其應用奠定了堅實的基礎；可用作逆康普頓散射的種子電子，提高輻射的穩(wěn)定性；或作為種子電子穩(wěn)定地產(chǎn)生正電子。