激光尾波场电子加速及新型辐射源（特邀）

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展,飞秒强激光为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件,使激光物质相互作用进入到一个极端非线性的强场超快新范畴,催生了大量新原理、新现象,推动了技术变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾波场加速原理是一种具有超高加速梯度的粒子加速新原理,该技术的加速梯度可达100 GV/m,相比于传统射频加速器提高了3个数量级以上,可在厘米量级的加速长度内获得GeV量级的高品质高能电子束,极大地降低了加速器的成本,为发展新一代粒子加速技术和新型超快辐射源提供了新机遇和新途径。从飞秒强激光驱动等离子体尾波场中的电子注入、能量啁啾控制和高品质电子束产生以及基于高品质电子束的betatron X射线辐射、高能伽马射线和小型化自由电子激光这几个方面介绍了激光等离子体尾波场电子加速的若干主要研究进展,并对未来进行了展望。     

啁啾逆自由电子激光——高梯度真空激光加速器

在驱动激光强度接近相对论范围和脉冲持续时间只有几个光周期的情况下,对逆自由电子激光(IFEL)相互作用作了理论研究和数值计算。作为很有前途的真空激光加速过程,已演示了逆自由电子激光原理;这里证明了利用超短超高强度驱动激光脉冲,大大增加逆自由电子激光作用带宽和加速梯度,因而产生大的能量增益。利用啁啾脉冲和负色散聚焦光学系统允许人们利用激光光学带宽的优点,产生具有最大梯度的彩色线聚焦。这些新颖思想的结合形成了紧凑的真空激光加速器,能以高梯度(Gev／m)和低能散加速皮秒电子束簇。     

非相对论强激光在等离子体中的传播特性

强激光脉冲在完全电离的等离子体中的传输特征是激光与等离子体相互作用的一个热点课题,它对激光驱动的等离子体加速器、Ｘ射线激光器、惯性约束核聚变等都具有重要影响．事实上,在强激光的很多实际应用中,人们希望激光在尽可能长的传播距离内保持足够的强度．例如在激光驱动的等离子体加速器中,电子获得的能量与加速距离成正比,因而尽可能地增加激光的传播距离成为激光加速的关键． 等离子体中电子密度分布决定其折射率,而折射率决定了激光的传播特性．另一方面,由于有质动力的存在,等离子体中的电子密度又受到激光场空间分布的影…     

从太赫兹波到光波驱动的集成电子加速器研究进展

粒子加速器极大地推动了近代科学的发展。目前成熟的射频加速方案受限于不足100 MV/m的加速梯度，面临造价高、占地面积广、建设周期长等挑战，同时也限制了其在一些领域的应用和推广。因此，寻求新型的电子加速技术已成为加速器领域的重要研究方向。在更高频率的太赫兹和光频波段，太赫兹波导加速和电介质激光加速技术能够提供高达GV/m量级的加速梯度，近年来已相继实现了对非相对论和相对论电子的加速及相空间操控（如脉宽压缩、空间聚焦等），并演示了级联加速方案，为实现小型化的集成加速器奠定了基础。未来，集成加速器有望在实验室范围实现大型射频粒子加速器的功能，并引起物理、化学、生命科学、医学等多学科领域的突破。为更好地把握集成电子加速器的发展，梳理了从太赫兹波到光波驱动的电子加速研究进展，介绍了相干电子源和束流控制的相关技术，并进一步展望了新型集成加速器的研究和应用。     

飞秒强激光与低密度等离子体相互作用原初过程的实验研究

近年来随着啁啾脉冲放大（ＣＰＡ）技术的应用,激光器件有了长足的发展,系统地研究超短超强激光与等离子体相互作用中等离子体波的产生机制和发展过程,对理解基于等离子体波的电子加速机制和实现等离子体波电子加速器有重大意义． 我们的激光源为太瓦超短超强激光装置（脉宽为 ４５ ｆｓ,输出功率为 ２×１０１２ Ｗ）,采用离轴抛物面镜为聚焦镜,真空焦斑宜径小于２０ｕｍ　,聚焦功率达到 ５×１０１７ Ｗ／Ｃｍ２,我们在电磁气体阀的基础上设计加工了毛细管靶．激光聚焦于真空靶室内毛细管入口,由脉冲延时器控制激光、喷气和数据…     

台式加速器取得进展

在英、美和法研究组分别独立取得突破后，基于等离子体的粒子加速器可较常规加速器所产生的高几千倍的加速梯度的前景，已由激光产生的等离子体演示。然而，只有在约1cm的距离上才有可能加速粒子，产生的光束质量较差，能散较大。三个物理研究组已发展出多种技术，包括等离子体中通道和气泡的形成，以产生仅百分之几的束能散。     

舰载自卫兆瓦级自由电子激光器概念

高效率兆瓦级自由电子激光定向能武器系统具有高功率运行的潜力，并可调谐至所有红外波长，有希望满足未来海军舰船对舰载自卫武器的要求。为了满足舰载武器的集装和原动力的限制超导射频加速器驱动的自由电子激光器能达到的功率效率和高加速梯度很有吸引力。     

上海软X射线自由电子激光装置

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是中国第一台X射线相干光源,其最短波长可达到2nm。这台基于1.5GeV C波段高梯度电子直线加速器的激光装置包含1条种子型自由电子激光(FEL)束线、1条自放大自发辐射束线以及5个实验站。整个装置的研制分试验装置(SXFEL-TF)和用户装置(SXFEL-UF)两个阶段进行,基于0.84GeV直线加速器的SXFEL-TF以掌握种子型FEL级联技术和短波长回声型FEL为主要目标,而SXFEL-UF的目标则是建成可提供5个实验站的用户装置并于2019年底开始首批实验。介绍了SXFEL的基本构成和目前装置研制的进展。     

软X射线自由电子激光试验装置微波系统

软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是中国第一台X射线相干光源,其最短波长可达到2 nm.这台基于1.5 GeV的C波段高梯度电子直线加速器的激光装置分试验装置(SXFEL-TF)和用户装置(SXFEL-UF)两个阶段进行研制,最终形成包含1条种子型自由电子激光束线、1条自放大自发辐射束线以及5个实验站的用户装置.试...     

非对称激光等离子体尾场中被加速电子的模拟

为了研究在激光驱动的等离子体尾场中被加速电子的动力学,采用数值模拟方法得到了非对称脉冲驱动的尾波场中被加速的电子的运动相图、密度分布及势能。结果表明,非对称激光脉冲驱动尾场中电子得到很高的能量。在非对称激光脉冲驱动的激光尾场中,为了有效地加速电子,要选择恰当的上升激光脉冲长度和下降激光脉冲长度。     

强激光超短脉冲对电子直接加速

论证了激光加速带电粒子的新机制。与锐聚焦配合使用强激光超短脉冲时,加速度由光压力和具有同一方向的电场纵向分量决定。表明,(现时的)一定参数的激光可将电子加速到ε-1GeV,可与“巨大”加速器达到的能量相比。在这种情况下(与文献讨论方案不同),加速对场的初始相位不敏感,可加速低速电子,并解决加速电子由场内引出的问题。     

材料处理用的亚皮秒平均功率千瓦级自由电子激光器

1　引言托马斯·杰斐逊国家加速器装置是美国能源部投资 6亿美元建立的国家实验室 ,主要从事核物理和粒子物理基础研究。为了具备基础科学研究能力 ,该室发展技术、建造、委托建造并且现在正运行世界最先进的具有6 Ge V的大型超导射频电子加速器( CEBAF)。在适度的能量上 ,这台直线加速器也是产生相干、单波长光 -即激光 -的关键设备 ,这种自由电子激光具有比大多数常规激光更高的平均功率 ,与常规激光不同的是它具有宽阔范围的波长调谐能力 ,同时提供皮秒脉冲。工业部门已对此种经济合算的光源提出要求 ,该室的超导射频技术则是达到这个…     

贯性聚变能研究现状

评述了惯性聚变能(IFE)的现状,其要点为:向着内爆等离子体点火与燃烧演示前进中,劳伦斯·里弗莫尔国家实验室和法国原子能委员会波耳多实验的兆焦耳级激光系统建造。以直接驱动和间接驱动进行的中心点火将在本十年中期进行探索。在过去两年中,还对“快点火”进行探索。已用拍瓦级(1~0.1PW输出)啁啾脉冲放大加热固体和内爆等离子体。利用50~500J/ps脉冲,可将固体靶加热至300eV,以a射线光谱学、中子能谱等手段测量。还总结了模拟程序的发展研究、靶设计和制造、重离子束聚变、基于X射线源的Z箍缩与激光驱动器技术。     

日本成功实现三维光显示器

日前，日本国家高级工业科技研究所（MST）、庆应大学（Keio Univeristy）与Burton公司合作研制出一种新型显示器，利用空间光点阵实现了物体的三维显示，如图1所示。该显示器基于激光激发等离子体发光现象，通过控制激光焦斑在三维空间的移动来实现物体图形在空间的三维构建。其结构如图2所示，包括直线驱动系统、高质量高亮度红外脉冲激光器和他们以前研制成功的同样基于等离子体发光的二维显示器。     

惯性聚变能研究现状

评述了惯性聚变能(IFE)的现状,其要点为:向着内爆等离子体点火与燃烧演示前进中,劳伦斯·里弗莫尔国家实验室和法国原子能委员会波耳多实验的兆焦耳级激光系统建造.以直接驱动和间接驱动进行的中心点火将在本十年中期进行探索.在过去两年中,还对"快点火"进行探索.已用拍瓦级(1～0.1PW输出)啁啾脉冲放大加热固体和内爆等离子体.利用50～500 J/ps脉冲,可将固体靶加热至300 eV,以α射线光谱学、中子能谱等手段测量.还总结了模拟程序的发展研究、靶设计和制造、重离子束聚变、基于X射线源的Z箍缩与激光驱动器技术.     

激光-等离子体相互作用过程中光子加速的研究

为了研究激光-等离子体相互作用过程中的光子加速(光子频率上移),采用数值模拟方法进行了理论计算和数值计算验证,取得了光子加速的重要计算机模拟结果。结果表明,等离子体激光相互作用过程中的光子频率上移与所用的激光脉冲形式和脉冲宽度有关,存在最佳脉冲宽度和脉冲上升宽度,还存在等离子体电子密度上限。这一结果对进一步研究激光等离子体粒子加速有帮助。     

受激拉曼散射改进二极管抽运固体激光器的性能

针对激光输出参量控制的非线性效应应用日益广泛。这种效应的产生基于激光器的光平均输出功率或其脉冲的峰值功率。依赖于平均功率的非线性效应包括热效应、光折变晶体中的波相互作用效应等。依赖于激光脉冲峰值功率的非线性效应 ,更为多样。高重复率 (≥ 1k Hz)、高峰值功率 (≥ 1MW)和短脉宽 (10 -9～ 10 -1 3 ns)二极管抽运固体激光器非常适用于产生这些非线性效应。短激光棒获得短脉冲　　受激布里渊散射 (受激布里渊散射 )、受激拉曼散射 (SRS)和谐波产生都可由脉冲激光获得。在光束横向结构接近基模 (TEM0 0 )和脉宽为几纳秒或更…     

靶形状及等离子体性质对激光驱动离子加速的影响

随着固体激光技术发展以及啁啾脉冲放大技术加持,激光峰值功率得到极大的提高,促进了激光物质相互作用领域的研究并衍生出若干具有很好前景的应用。激光驱动的台面级离子加速器便是其中重要的应用领域之一。激光加速的质子具有源体积小、脉冲时间短和时间分辨高等特点,可以广泛应用于成像、医疗及科研领域,并能有效降低这些领域的相关成本,促进其高效发展。影响获得优质离子束的条件很多,文中从靶形状及与激光作用后形成的等离子体性质角度对近期该研究方向的一些进展进行了总结及展望。     

激光驱动离子加速的研究进展及其重要应用综述

随着激光技术的不断发展,特别是啁啾脉冲放大技术被提出以来,超强激光脉冲驱动的离子加速研究逐渐吸引了国内外科学家们的广泛关注,在离子能量提升、发散角控制和单能性提高等方面相继取得一系列重要进展。由激光与等离子体相互作用产生的离子束具有能量高、脉宽窄和方向性好等特点,具有许多潜在应用。本文通过回顾激光驱动离子加速的研究历程,对离子加速的主要作用机制、基本理论模型、数值模拟和实验研究等进行详细的阐述,同时对激光驱动离子加速的重要应用进行归纳总结。最后根据当前国内外大型激光装置的发展趋势,对极端光场中的离子加速进行展望。     

正弦三角激光脉冲尾场加速正电子模拟

为了研究正弦三角激光脉冲和低密度的等离子体相互作用时加速正电子的运动,采用数值模拟方法进行了数值计算,得到了被加速正电子的动能.结果表明,由于正弦三角激光脉冲激发产生的Raman散射原因,使得被尾场捕获的正电子数增多及相应的初速度增大;非对称正弦三角脉冲的前沿比对称正弦三角脉冲更陡,具有更强的有质动力势,能够产生更强的尾场,因此非对称正弦三角激光脉冲比对称激光脉冲驱动尾场中正电子的能量高.该研究结果说明,非对称正弦三角激光脉冲能够有效地提高正电子的加速效果.