超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第五百三十六期)

2024年7月31日

上海光機(jī)所在基于相位融合效應(yīng)的電子束預(yù)聚束與臺(tái)式化自由電子激光的研究方面取得進(jìn)展

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)，在基于相位融合效應(yīng)的電子束預(yù)聚束與臺(tái)式化自由電子激光的研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)的研究成果以“Bunching enhancement for coherent harmonic generation by using phase merging effects”為題發(fā)表于Matter and Radiation at Extremes。

得益于激光尾波場(chǎng)的超高加速梯度，激光尾波場(chǎng)加速器在驅(qū)動(dòng)臺(tái)式化、低成本的自由電子激光方面具有巨大的潛力，實(shí)現(xiàn)激光尾波場(chǎng)加速驅(qū)動(dòng)的臺(tái)式化自由電子激光也被認(rèn)為是未來(lái)十年的重要挑戰(zhàn)之一。結(jié)合激光尾波場(chǎng)加速的電子束高流強(qiáng)的特征，通過(guò)電子束預(yù)聚束等技術(shù)可以將電子束流強(qiáng)進(jìn)一步提升至數(shù)十千安甚至百千安量級(jí)。即便沒(méi)有指數(shù)增益過(guò)程，這種超高流強(qiáng)的電子束通過(guò)一段較短的波蕩器也可產(chǎn)生強(qiáng)相干輻射。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于相位融合效應(yīng)的電子束預(yù)聚束與臺(tái)式化自由電子激光方案。采用色散段-調(diào)制器-色散段的模式，得益于色散段1中引入的電子束相空間耦合，經(jīng)調(diào)制后的電子束通過(guò)與之匹配的色散段2后，束團(tuán)內(nèi)不同初始能量或者發(fā)散角的電子能夠聚集在同一相位，進(jìn)而顯著提升電子束的聚束效率。結(jié)合激光尾波場(chǎng)加速的電子束特征，研究團(tuán)隊(duì)分別設(shè)計(jì)了基于電子束色散、角色散以及角度調(diào)制和色散的方案。結(jié)果表明，該方案能夠有效的將電子束的流強(qiáng)提升至數(shù)十千安甚至百千安量級(jí)。這種超高流強(qiáng)的電子束通過(guò)長(zhǎng)度僅一米的波蕩器即可產(chǎn)生百兆瓦量級(jí)的強(qiáng)相干輻射。整個(gè)加速段與輻射段的尺寸可壓縮至3.5米以內(nèi)，為更加緊湊型的X射線自由電子激光的研制提供了可行的方案。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)等項(xiàng)目的支持。

圖1. 基于相位融合效應(yīng)的電子束預(yù)聚束與臺(tái)式化自由電子激光方案。（a）束流線以及電子束參數(shù)演化。（b?c）電子束縱向相空間分布。（d?e）輻射段入口處電子束參數(shù)及聚束因子。

原文鏈接