[论文解读] Coherent High-Harmonic Generation with Laser-Plasma Beams

Sergey Antipov, Ilya Agapov+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 1

一句话总结

本文提出了一种利用激光等离子体加速器（LPAs）电子束并结合主动能量压缩的新型方案，以生成相干的高次谐波辐射。通过将电子束的能量展宽压缩至∼10⁻⁵，该方案实现了从种子激光（例如800 nm）产生高达100次谐波（如10 nm）的高效相干辐射，克服了传统方法因能量展宽大和抖动高而导致的限制。

ABSTRACT

Active energy compression scheme is presently being investigated for future laser-plasma accelerators. This method enables generating laser-plasma accelerator electron beams with a small, ∼10-5, relative slice energy spread. When modulated by a laser pulse, such beams can produce coherent radiation at very high, ∼100th harmonics of the modulation laser wavelength, which are hard to access by conventional techniques. The scheme has a potential of providing additional capabilities for future plasma-based facilities by generating stable, tunable, narrow-band radiation.

研究动机与目标

• 利用激光等离子体加速器（LPA）电子束实现种子激光高次谐波（n ≫ 1）的相干、窄带辐射。
• 克服LPA中高非关联能量展宽（σE）带来的挑战，该问题限制了高次谐波生成效率。
• 利用主动能量压缩将能量展宽降低至∼10⁻⁵，从而实现高效谐波生成，且调制深度极小。
• 展示利用现有LPA基础设施实现稳定、可调谐、相干的极紫外（EUV）和软X射线波段（如10 nm）辐射的可行性。

提出的方法

• 使用500 MeV的LPA注入器，配合四极透镜组和色散弯轨，实现对电子束的捕获与压缩。
• 采用X波段射频腔实现主动能量压缩，将相对能量展宽从∼1%降低至<10⁻⁴。
• 利用与第一根波荡器共传播的种子激光脉冲在电子束上引入能量调制。
• 通过具有六极透镜色差校正的色散弯轨将能量调制转化为纵向微聚束。
• 在最后一根波荡器中辐射出波长为λl/n的相干高次谐波，其中λl为种子激光波长。
• 依赖FBIPC（LPA）和Ocelot（束线）的数值模拟，对束流动力学和辐射输出进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LPA中，主动能量压缩是否足以将能量展宽降低到足以实现n ≫ 1高次谐波高效生成的程度？
• RQ2 当σE ∼ 10⁻⁵时，生成第100次谐波所需的最小能量调制深度A = ∆E/σE是多少？
• RQ3 束流的低能量展宽如何影响所生成高次谐波辐射的带宽与稳定性？
• RQ4 现有LPA装置若已配备种子激光，是否无需重大改造即可支持该方案？
• RQ5 为在10 nm波段最大化谐波输出，束线参数（如弯轨长度、波荡器周期）的最优值是什么？

主要发现

• 主动能量压缩将LPA电子束的相对能量展宽从∼10⁻²降低至<10⁻⁴，从而实现高效高次谐波生成。
• 当σE ∼ 10⁻⁵时，所需能量调制深度A = ∆E/σE ≈ 100可通过适度激光功率实现，使第100次谐波成为可能。
• 数值模拟证实，从800 nm种子激光可生成波长为10 nm的相干辐射，对应第100次谐波。
• 该方案产生窄带宽辐射，具有高稳定性，得益于低能量抖动以及微聚束峰值电流超过原始束团。
• 束流的横向发射度保持在2.1 µm（水平方向）和0.4 µm（垂直方向），支持高亮度辐射。
• 该装置与现有LPA基础设施（包括种子激光和射频腔）兼容，可实现近中期实验验证。