[论文解读] Multi-GeV electron bunches from an all-optical laser wakefield accelerator

B. Miao, J. E. Shrock+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用 9

一句话总结

本研究通过在低密度氢气气流喷射中使用自波导的15 J、45 fs激光脉冲，在20 cm距离内实现了完全全光学激光尾场加速器中的多GeV电子束。该系统实现了高达25 GeV/m的加速梯度，产生能量最高达5 GeV的电子，电荷量≥10 pC，且具有约15%相对能量带宽的准单能能谱，其机制依赖于自形成等离子体波导，而受限于泵浦能量耗尽引起的失相。

ABSTRACT

We present the first demonstration of multi-GeV laser wakefield acceleration in a fully optically formed plasma waveguide, with an acceleration gradient as high as 25 GeV/m. The guide was formed via self-waveguiding of <15 J, 45 fs (

研究动机与目标

• 在无需外部等离子体导波器的情况下，证明全光学激光尾场加速器中多GeV电子加速的实现。
• 利用低密度氢气气流喷射中的自波导激光脉冲，实现高梯度加速。
• 研究激光指向稳定性与气流喷射均匀性对电子束质量及单发间可重复性的影响。
• 研究泵浦能量耗尽对长距离激光导引中失相与能量增益的影响。

提出的方法

• 在低密度氢气气流喷射中，15 J、45 fs激光脉冲在20 cm距离内实现自波导，形成等离子体波导。
• 将激光脉冲注入自形成波导中，激发等离子体尾场以实现电子加速。
• 采用波长1000 nm、峰值功率300 TW的激光系统驱动尾场，实现高梯度加速。
• 通过测量电子能量谱、电荷量和发散角，评估电子束质量与稳定性。
• 系统性调节轴向电子密度（1.3–3.2×10¹⁷ cm⁻³），研究能量增益的依赖关系。
• 分析单发间谱线与电荷稳定性的变化，作为激光指向与气流喷射均匀性的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在使用自形成等离子体波导的全光学激光尾场加速器中，产生多GeV电子束？
• RQ2 轴向等离子体密度如何影响加速电子的能量增益与能谱质量？
• RQ3 激光指向稳定性与气流喷射均匀性在多大程度上影响电子束谱线与电荷的可重复性？
• RQ4 泵浦能量耗尽在长距离激光导引中如何限制能量增益并导致失相？
• RQ5 在无外部导引结构的自波导构型中，能否实现超过25 GeV/m的加速梯度？

主要发现

• 实验利用15 J、45 fs激光脉冲在自形成等离子体波导中实现了25 GeV/m的峰值加速梯度。
• 电子束能量最高达到5 GeV，具有准单能峰，相对能量带宽约为15%。
• 电子电荷量最低测量值约为10 pC，在激光指向与气流喷射均匀性最优条件下观察到稳定电子束。
• 能量增益在1.3–3.2×10¹⁷ cm⁻³范围内与轴向等离子体密度呈反相关关系。
• 激光指向漂移与气流喷射不均匀性显著降低了电子谱线与电荷的单发间稳定性。
• 观测到泵浦能量耗尽引起的失相现象，由于长距离光学导引，限制了最大能量增益。