PRL | 西安交大栗建兴团队在极化阿秒电子源研究方面取得重要进展

LWFA是一种新型的电子加速方案，具有超高加速梯度、超高流强和超短时间脉冲等独特优势。当相对论强度的高斯激光脉冲穿过气体密度等离子体时，激光有质动力会驱动背景等离子体电子并在激光脉冲背后形成一个近似球形空泡结构的等离子体尾波，简称为等离子体空泡。等离子体空泡会以接近光速传播并在其内部维持一个强度大于千兆伏特每米的加速电场，简称为激光尾波场，从而可以注入并加速飞秒、甚至阿秒尺度的电子束。高亮度、超短脉冲的自旋极化电子源在粒子物理、核物理以及材料物理研究等领域中具有广泛的应用前景。近年来，利用LWFA和预极化气体靶相互作用产生自旋极化电子束，已经成为了当前激光等离子体加速领域国际科技前沿课题之一。之前的研究表明，LWFA方案能够产生数千安培电流强度的极化电子束。然而，为了避免在注入过程中等离子体空泡的鞘层电子出现严重退极化，需要尽可能地降低尾波场的强度，从而导致注入电子的束流品质（特别是亮度参数）受到了极大限制。

图1（a）左图：初始等离子体密度分布；右图：径向偏振激光驱动双等离子体尾波示意图。（b）激光场辅助的电子自旋进动示意图。（c）上图：电子自旋进动频率与betatron频率比值随密度的变化；下图：电子自旋分量分别在激光场（sₓ,˪）、尾波场（sₓ,_w）和叠加场（sₓ）中随时间的进动。

针对上述关键科学问题，栗建兴教授研究团队提出利用径向偏振激光驱动的双等离子体尾波注入机制实现极化电子束的可控注入，并产生具有超高亮度的极化阿秒电子束。在该方案当中，当紧聚焦径向偏振激光的脉冲持续时间与等离子体空泡的形成时间相当时，可以激发激光场调制的双尾波场，从而促使预极化电子的亚光周期注入并在横向劈裂为三重电子束团。通过控制初始等离子体密度下降沿的跃变尺寸，一方面，双尾波注入的电子束在激光和尾波的叠加场中可以被调制成高亮度的阿秒电子束；另一方面，双尾波注入过程导致了等离子体空泡鞘层电子的集体自旋进动和横向自旋的保留，从而维持了注入电子束的高极化度。此外，注入电子束的亮度、时间脉冲和极化度等参数随初始等离子体的密度变化都是稳定可控的。这项研究为利用LWFA产生高品质极化电子源提供了一种解决方案，同时也为实现极化阿秒电子束在超快电子成像和相干辐射源等领域的应用提供了理论依据。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、中物院激光聚变研究中心、陕西基础（数学、物理）研究院等项目经费支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.045001

–西安交通大学