径向偏振激光作用下的亚太瓦激光等离子体尾场加速研究

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等离子体尾场加速是一种新兴的电子加速技术,在近几十年来迅速发展。这种加速方案与传统的大型粒子加速器相比,可以在更小的空间尺度内获得更高的加速梯度,可以实现粒子加速器的台式化。在实验上通常采用百太瓦甚至拍瓦激光装置驱动等离子尾场获得高能粒子(GeV),但得到的电子束重复频率较低(10 Hz)。而对于太瓦及亚太瓦激光器来说,容易得到高重复频率的激光,进而通过等离子体尾场加速得到高重复频率(kHz)的电子束,可以在超快电子衍射实验中得到飞秒尺度的时间分辨率。近年来使用太瓦激光进行的等离子体尾场加速研究,得到的电子束能散较大,能谱呈连续分布,限制了其应用场景。因此使用亚太瓦激光驱动等离子体尾场加速得到准单能电子束有其研究价值和重要意义。本文提出了一种使用径向偏振光束调控尾场加速过程中电子注入的方法,该方法适用于太瓦激光脉冲驱动的等离子体尾场加速。径向偏振光束在紧聚焦条件下有着很强的纵向电场分量,可以控制电子的注入并且优化电子束的性能。通过径向偏振光束驱动等离子体尾场的研究,发现将径向偏振光束作为驱动光的方案存在不稳定性,电子的周期性注入导致能散较差。而当径向偏振光束作为辅助光与线偏振太瓦激光共同作用与等离子体时,可以得到准单能的电子束出射。我们使用PIC(particle-in-cell)模拟代码Osiris进行三维粒子仿真,一束30 fs,30 mJ的线偏振太瓦激光作为主脉冲驱动等离子体尾波,另一束30 fs,~1 mJ的径向偏振光束作为副脉冲控制电子的注入,得到了20 MeV,~10p C,ΔE/E=6%的可调谐准单能电子束。通过分析电子注入的过程,发现电子注入来源于纵向电场对尾波鞘层的调制作用,注入位置发生在径向偏振光的焦平面附近。通过分析电子注入的影响因素,发现两束光延时的改变会对电子注入产生周期性的影响。在等离子体周期时间尺度(~10 fs)下的延时改变会周期性地改变注入电子的能量和能散;在脉冲周期时间尺度(~1 fs)下的延时改变会周期性地改变注入电子的电量。而径向偏振光束焦平面位置的改变则会影响电子加速的距离,从而可以通过改变焦平面位置实现电子注入的可调谐。最终,我们通过径向偏振光来控制电子注入过程,得到了电量、能量可调谐的准单能电子束,这是一种适用于太瓦激光脉冲的光调控电子注入机制。
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