瞬态等离子体光栅用于强激光驱动电子加速

多束强激光与等离子体的相互作用，相较于单束强激光来说会产生更多有趣的实验现象。两束交叉传播的强激光脉冲在等离子体中叠加，呈周期发布的干涉场会对等离子体产生密度调制，一个粒子密度在空间周期分布的有序结构（等离子体光栅）因此形成。

瞬态等离子体光栅没有损伤阈值，可以应对各种强激光脉冲的作用。传统的两束激光加速电子的理论强调激光束的夹角会对加速状况产生影响，夹角越大加速状况越好，而目前测得的最小加速角也需要达到135°。该研究中作者提出并证明了一种与传统加速思想不同的激光耦合方式，以10°的加速角实现了和135°加速角相同的电子加速效果，为多束激光加速电子的实验设计提出了新的思路。

本研究从实验观测出发，研究人员首先搭建了一套如图3所示的简易型强激光电子加速器，两束激光的波长均为800 nm，带宽稳定在18 μm，脉冲宽度分别为39 fs和35 fs，夹角为10°。

图4 对第一个超强激光器加速电子(等离子体密度约为5×10¹⁸/cm³)的表征：  (a)电子束的轮廓 (b)电子束的光谱

仿真情景设计在一个796×232 μm²的二维平面上，单个粒子的尺寸大小设计为0.033×0.05 μm²。两束脉冲功率密度分布为高斯型，夹角为10°，且聚焦于平面上一个特定的坐标。除两束激光的脉冲宽度统一成35 fs之外，激光器各项参数均与前文所述实验保持一致。研究人员通过对两束脉冲照射到原子气团的时延差τ_d进行改变，来研究瞬态等离子体光栅对电子的作用效果。

如图5所示，时延差的改变会导致光栅结构受到影响。PIC模拟结果显示，当两束脉冲以0.6 ps的时延差到达共聚焦区域时，由于干涉作用的存在，一个类似于光栅的等离子体结构得以形成，在图5(a)中，可以明显观察到该结构会对电子产生一个周期性的质动力，质动力结合超强激光的相互作用，可以有效推动电子并使其加速。当τ_d增加至1.13 ps时，情况发生了改变，如图5(b)所示，电子不再被强激光脉冲的尾波场所捕获，相反，它们进入了一个无序的区域。当τ_d进一步增加至1.67 ps时，前一个到达共聚焦点脉冲的尾波场已几乎不存在，而后到达共聚焦位置脉冲的尾波场也并未有效捕捉到电子。

图6 (a)等离子体所含电子在强激光脉冲入射时的能量演化过程 (b)实际测得的加速电子束轮廓分布

该研究并没有采用与传统类似的电子加速方案，而是选择在低密度等离子体中以瞬态光栅的结构对电子束进行调制发射。在后续的补充材料中，作者也将理论验证的过程由二维拓展至三维，并取得了相似的结论。瞬态等离子体光栅对电子束的密度进行的优化，可以进一步提升电子束的峰值能量。

该工作由林肯大学，捷克科学院，布拉格捷克技术大学，查尔姆斯理工大学以及巴黎萨克雷大学等机构合作完成。研究工作得到了美国能源部高能物理科学办公室基金(DE-SC0019421)以及欧洲区域发展基金“高级应用科学中心”(CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/000078)等项目的支持。

论文链接：

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.164801