激光尾波场加速器及产生高亮度阿秒光脉冲的方法
【专利摘要】本发明提供了一种激光尾波场加速器及产生高亮度阿秒光脉冲的方法。该激光尾波场加速器包括用于产生驱动激光的激光源以及设有气体发生装置和聚焦系统的真空室，其中气体发生装置用于产生沿驱动激光传播方向具有上升型密度前沿的气体靶，而聚焦系统用于对驱动激光进行聚焦。激光源产生的驱动激光经聚焦系统聚焦后，入射到的气体靶，使气体靶中的气体分子被激光束电离，产生阿秒脉宽电子片注入并同步加速电子片以获得阿秒光脉冲。本发明能产生相对论强度的阿秒光脉冲，同时突破了现有的基于大型传统加速器所能输出辐射的能力，为广泛的基础科学与工业应用提供紧凑高品质的阿秒辐射源。
【专利说明】激光尾波场加速器及产生高亮度阿秒光脉冲的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及加速器和相干辐射源产生装置，具体涉及超短强激光驱动气体靶，产生高亮度阿秒光脉冲的激光尾波场加速器。
【背景技术】
[0002]阿秒(I阿秒=10_18秒)光脉冲是目前实验上可获得的最短电磁辐射，它可以跟踪和操控原子尺度下的电子运动，是研究和操控微观世界的工具，例如，阿秒脉冲可以对大分子结构进行单发成像、诊断化学反应过程、鉴定药物成分等。因此发展阿秒脉冲产生技术对生命、医药、化学、材料等基础科学研究，以及尖端工业应用等均具有重要价值。高亮度阿秒脉冲的产生是目前阿秒物理的主要研究课题之一。
[0003]目前产生超短X射线脉冲比较成熟的方法是基于传统加速器的同步辐射装置和自由电子激光，如上海光源、SLAC的LCLS等。其中同步辐射装置中电子束的脉宽一般为皮秒(I皮秒=10_12秒)至纳秒(I纳秒=10_9秒)量级，产生的辐射具有相同量级脉宽，并且是非相干的。相干性可显著提高辐射的光子通量密度，为此，人们基于传统加速器建造了先进的X射线自由电子激光(XFEL)。XFEL输出的光脉冲峰值亮度比同步辐射源高7?9个数量级，极大拓宽了其应用潜力。例如2012年美国《科学》杂志评选出的年度十大进展就包括利用X射线激光(比同步辐射源亮10亿倍)确认了布氏锥虫所需的一种酶的结钩(这种寄生虫是引起非洲昏睡病的原因)，从而首先证明了相干X射线直接解密蛋白质的潜力。但需要指出的是，即使当前最先进的XFEL，其输出的辐射脉宽也不短于100飞秒(I飞秒=10_15秒)，单脉冲能量不超过5毫焦耳。此外，上述基于传统加速器的辐射源装置规模庞大(数公里的加速距离)，造价昂贵(每台XFEL约10亿美元)，从而限制了面向更广泛的基础科学与工业应用。直接提供廉价、高亮度、更短脉宽的相干辐射源仍是未来加速器与辐射源领域的努力目标之一，例如，目前传统加速器学界正在探索是否可以产生阿秒脉宽的X射线脉冲。
[0004]近年来，伴随着超快激光技术的快速发展，超短强激光与等离子体相互作用在新型粒子加速和辐射源产生等方向展现出巨大潜力。等离子体可以承载高达IO11?IO12伏每米的有效加速电场，比传统加速器的高3?4量级，例如强激光驱动气体靶形成的激光尾波场可在3厘米的距离将电子加速到IO9电子伏特，因而激光等离子体加速被认为是未来紧凑、廉价型高效加速器的热门候选之一。基于激光尾波场加速，目前已发展出多种机制产生超短X/伽玛射线脉冲，如电子束在尾波加速结构中的自发同步辐射，或与其它激光束作汤姆逊/康普顿背散射。这些高亮辐射源已被用于单发成像等应用。然而目前尾波场加速中电子注入的可控性差，通常在一定时间内准连续地发生，产生的电子束脉宽难以低于飞秒量级，因而基于这些电子束产生的辐射源也往往是飞秒脉宽、非相干的。通过激光尾波场加速获得阿秒脉宽的相干辐射亟需新的突破。
[0005]另一方面，基于超短强激光与物质的相互作用，人们已发明了多种方法来产生阿秒相干辐射，有些甚至在实验上已很成熟。例如，光强为IO14?IO16瓦每平方厘米的飞秒激光可有效激发气体原子高次谐波辐射，该辐射在频域表现为入射光的整数倍谐波，在时域表现为周期性的阿秒脉冲链。该方法基于激光原子过程，入射光强要求小于IO16瓦每平方厘米，因而产生的阿秒脉冲强度不高。另外，相对论强度(>1018瓦每平方厘米)的超短激光与固体靶作用可以产生高强度的表面高次谐波。若对这些谐波辐射进一步作高通滤波，可以得到单个阿秒脉冲。然而，固体表面高次谐波强度通常随谐波次数的增加快速下降，所以经滤波产生单个阿秒脉冲的效率并不高。最近基于超强少周期激光与纳米靶的相互作用，人们也提出多种可以直接产生高亮度相干阿秒脉冲的方案。然而该方案要求极高的激光对比度，实验难度极大。此外，这些基于固体靶的方案也不利于高重复率运行，在实际应用上具有很大局限。
[0006]由上可见，基于强激光与等离子体相互作用产生新型辐射源比基于传统加速器的方案具有很多独特优势，但目前仍亟需一种简单易行、高重复率、激光对比度要求低的方案来直接产生高亮度、相干、阿秒光脉冲。该方案一旦实现，必将为广泛的基础科学应用等提供廉价、便捷的高品质阿秒光源，同时也将突破目前基于传统加速器输出超短辐射源的瓶颈。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种相对低廉、简易的用于产生高亮度相干阿秒光脉冲的装置及方法。
[0008]根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生阿秒光脉冲的激光尾波场加速器，该激光尾波场加速器包括:激光源，该激光源用于产生驱动激光；和真空室，在真空室内设有气体发生装置和聚焦系统，其中，气体发生装置用于产生沿驱动激光传播方向具有上升型密度前沿的气体靶，而聚焦系统用于对驱动激光进行聚焦。激光源产生的驱动激光经聚焦系统聚焦后，入射到的气体靶，使气体靶中的气体分子被激光束电离，产生阿秒电子片注入并同步加速电子片，从而获得阿秒光脉冲。
[0009]在另一优选例中，上述密度包括总电子数密度。
[0010]在另一优选例中，具有上升型密度前沿的气体靶后接平台型或下降型密度分布。
[0011]在另一优选例中，不同密度分布之间通过中间密度平台平滑过渡。
[0012]在另一优选例中，该气体发生装置包括气体喷嘴，气体喷嘴为亚毫米长的超短超音速气体喷嘴，且气体喷嘴的出口具有锐的边界。
[0013]在另一优选例中，上述亚毫米长的超短超音速气体喷嘴喷出的气体靶的真空边缘到气体密度平台的距离不超过200微米。
[0014]在另一优选例中，该气体喷嘴的出口为长方形或圆形。
[0015]在另一优选例中，在气体喷嘴的出口设置有用于控制气体祀的喷射形态的金属片，金属片具有锐边界，金属片的锐边界与气体靶接触。
[0016]在另一优选例中，喷嘴出口方向为竖直向上，金属片水平放置于气体喷嘴的出口处，遮挡出口的面积不大于整个出口面积的1/2。
[0017]在另一优选例中，通过采用支撑物保持金属片平面与喷嘴出口平面平行、贴合。
[0018]在另一优选例中，该激光尾波场加速器还包括激光预加工系统，激光预加工系统用于向气体靶提供加工激光以对气体靶进行密度分布整形，激光预加工系统包括:空间光强调制掩模片，空间光强调制掩模片用于对加工激光的横向空间光强分布进行调制，掩模下参数:
4径为微米量级，一般为10-100微米，较佳
咬佳地5?50飞秒；
00太瓦，较佳地200?5000太瓦。
光束或超高斯光束；
=数的单一气体或多种气体组成，较佳地为参数:
卜为100?10000微米，较佳地100?1000
I的方向上的一定尺度内密度均匀性好，较3密度为1018?1021个每立方厘米，较佳地5为微米量级的激光脉冲；
丨，从而产生并加速呈薄片状结构的电子束，冲。
拦尾波场加速电子的原理，提出了一种新的脉宽、稠密电子飞片(即呈薄片状结构电子速的同时产生高强度、相干阿秒脉冲。本发財氐的优点，从而有利于为为广泛的基础科
6尾波场加速器的结构示意图；
作原理示意图；
总电子数密度分布的可能形式；
6尾波场加速器的结构示意图；
6尾波场加速器的结构示意图；
妓场加速器产生的阿秒脉冲的典型模拟结收缩运动，因而产生相干的阿秒脉宽同步辐射脉冲。
[0061]装置及应用
[0062]下面结合附图对本发明【具体实施方式】作详细说明。需要指出的是，本发明并不限于以下描述，实施技术人员应从以下描述所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
[0063]图1是根据本发明第一实施方式的激光尾波场加速器的结构示意图。如图1所示，激光尾波场加速器包括:
[0064]气体发生装置，该气体发生装置包括超短超音速气体喷嘴J1，气体喷嘴Jl用于产生密度均匀且密度大小可调的气体靶；
[0065]激光分束引导装置，该激光分束引导装置包括分光镜M3、全反镜Ml、离轴抛物面反射镜M2、分光镜M3用于将激光源输出的激光脉冲LO分为透射的驱动激光LI和加工激光L2 ;以及
[0066]气体密度分布整形装置，该气体密度分布整形装置包括全反镜M4、M5，光强空间调制掩模片SMl和棱镜对M6、M7，光强空间调制掩模片SMl用于对加工激光L2的横向空间光强分布进行调制，棱镜对M6、M7用于对经全反镜M5引导的加工激光L2进行聚焦并调整加工激光L2的绝对光强。
[0067]上述气体发生装置、激光分束引导装置及气体密度分布整形装置均位于真空室中。
[0068]气体喷嘴Jl的出口为长方形或圆形或者其他任意合适的形状。气体喷嘴Jl喷出的气体靶沿驱动激光传播方向的尺寸一般不大于10000微米，较佳地100-1000微米。
[0069]激光源(图未示)输出的激光脉冲LO进入真空室后，经透射反射比大于9:1的分光镜M3分为两个子束LI和L2，LI作为驱动激光携带LO中90%以上的能量，L2作为加工激光只携带LO中I低于10%的能量。驱动激光LI经全反镜Ml引导至离轴抛物面反射镜M2进行聚焦，聚焦后的驱动激光L3入射到气体靶上。本发明要求在驱动激光L3到达气体靶前端时的腰斑半径为10-100微米，较佳地10-50微米。
[0070]加工激光L2经光强空间调制掩模片SMl进行横向空间光强分布调制后，棱镜对M6和M7对经全反镜M5引导过来的加工激光L2进一步聚焦并调整其绝对光强，经聚焦后的加工激光L4入射到气体靶上以对气体靶进行气体密度分布整形。本发明要求加工激光垂直于驱动激光的传播方向入射到气体靶，并能覆盖整个气体靶或靶的前端。此外，本发明要求加工激光的高光强区域对应气体靶的前端即驱动激光L3与气体靶先作用的一端；且加工激光L4到达气体靶的时刻tl应早于驱动激光L3到达气体靶的时刻t2，要求延时U^t1)>2纳秒，较佳地Uft1)为2-10纳秒。
[0071]为便于理解，图2a示出了本发明中驱动激光与经密度整形后的气体靶作用产生阿秒光脉冲的工作原理，然而应理解本发明的保护范围并不受该工作原理的限制。如图2a所示，驱动激光L3从左边入射到经密度整形后的气体靶Tl而产生阿秒辐射Rl。实验中在前述的驱动激光和气体靶参数条件下，驱动激光L3在气体靶Tl中传输时激发大振幅等离子体波即激光尾波，形成致密的尾波电子薄层。该电子层在密度上升区域到平台的转换位置附近可以即时地注入尾波场。图2a示出了注入的电子飞片在不同传播时刻的空间形状EB1。电子飞片 EBl在尾波场中获得加速的同时，由于受静电场力而作横向收缩运动，从而产生类相干同步辐射R1。该脉冲Rl具有阿秒脉宽并以一定锥角Qtl辐射出等离子体。RPl为阿秒脉冲在不同传播时刻于平面内的投影。
[0072]如图2b所示，气体靶Tl沿驱动激光L3传播方向具有上升型密度前沿和后接的平台型密度分布，较佳地不同密度分布之间可为平滑过渡。上升型密度前沿的密度梯度应大于一定值，较佳地从低密度区(如n0/4)到最高密度区(Iitl)之间的距离应小于最高密度区对应的电子等离子体的波长的10倍(约200微米)。应理解气体靶的密度分布可为其他等价的分布形式。
[0073]图3示出了根据本发明第二实施方式的激光尾波场加速器。第二实施方式与第一实施方式的区别在于:激光源(图未示)产生的激光脉冲LO进入真空室后不再分解出另一子束作为加工激光。第二实施方式中，仅在所述气体喷嘴Jl的出口适当放置一金属片来控制出射气体靶的喷射形态(类似操作参见文献Phy.Rev.ST Accel.Beams, 13，091301 (2010))，从而产生本发明要求的气体(等离子体)密度分布。金属片可以是刚性好、具有锐边界的金属薄片，例如剃须刀片。金属片水平放置于气体喷嘴出口处，遮挡出口的面积不大于整个出口面积的1/2，并通过采用支撑物保持金属片平面与喷嘴出口平面平行、贴合，同时金属片的锐边界一边与气体接触。
[0074]图4示出了根据本发明第三实施方式的激光尾波场加速器。第三实施方式与上述实施方式的区别在于:激光源产生的激光脉冲LO进入真空室后不再分解出另一子束作为加工激光，也不再在气体喷嘴Jl出口放置金属薄片控制来气体靶的喷射形态。在第三实施方式中，要求气体喷嘴为亚毫米长的超短超音速气体喷嘴且其出口具有锐的边缘。该气体喷嘴能产生气体密度均匀性好的气体靶，气体靶前端边界从真空上升到密度平台的尺寸不大于500微米。较佳地，该边界尺寸不大于200微米。
[0075]上述三种实施方式的区别在于产生气体密度上升前沿的方式不同，理论上如果其他参数一致,通过这三种方式产生的阿秒脉冲结果基本相同。图2b中，上方的第一分布为理想分布，实验中较难获得。下方的第二、第三分布为实验中实际可能的分布，通过上述三种实施方式均可以产生第二、第三分布。中间密度平台后接平台型或下降型密度分布对阿秒脉冲的产生几乎没有影响。
[0076]本发明与现有技术相比，主要区别及其效果在于:
[0077](a)通常紧聚焦激光脉冲驱动的尾波场加速方案中，电子注入在一定时间范围内准连续地发生，导致最终注入的电子束具有飞秒脉宽，因而产生的辐射也相应地具有飞秒量级的脉宽，并且是非相干的。本发明提供了一种通过气体密度整形靶控制电子束注入位置的方法，从而在尾波场中实现阿秒脉宽电子束的注入与加速；
[0078](b)本发明采用比尾波纵向结构尺寸更大的激光腰斑入射条件，因而注入的电子束为具有较宽横向尺度的片状结构，不同于通常紧聚焦激光脉冲入射情况下得到的大纵横比的束状结构；
[0079](C)所述阿秒脉宽电子飞片在尾波场中加速的同时横向上受静电场力的作用而作收缩运动，因而产生相干的同步辐射且辐射脉宽为阿秒量级；
[0080](d)与基于激光与固体靶相互作用的方案相比，本发明仅使用气体靶，因而在实验上具备闻重复率实现的潜力；
[0081](e)本发明能产生相对论强度的单个阿秒光脉冲，不同于以往基于激光尾波场加速通常所得到的飞秒脉宽、非相干辐射，同时也突破了现有的基于大型传统加速器所能输出辐射的能力，因而能以相对低廉、简易的方法为广泛的基础科学与工业应用提供紧凑高品质的阿秒辐射源；
[0082](f)本发明装置的成本低、维护简便。
[0083]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
[0084]实施例
[0085]本实施例的激光尾波场加速器基于上述第一实施方式(参见图1)，包括激光分束引导装置、气体发生装置和气体密度分布整形装置。
[0086]本实施例中，气体喷嘴Jl喷出的气体为氢气,气体分子包含的总电子密度最高为
4.7xl019个每立方厘米。
[0087]光强空间调制掩模片SMl具有单孔侧边，单孔的线宽为100微米。经柱状棱镜M6，M7进一步调制后，加工激光L4的高光强区域线宽约为100微米，光强约为IO14-1O16瓦每平方厘米，L4的其余部分光强低于IO12瓦每平方厘米。
[0088]本实施例中，激光源输出的激光脉冲的半高全宽值为20飞秒。经离轴抛物面反射镜M2聚焦后，驱动激光L3入射到气体靶面Tl时的腰斑半径为17微米，峰值光强为7.7xl019瓦每平方厘米，峰值功率为350TW。图5和图6示出了本实施例的数值模拟结果。图5是驱动激光L3驱动气体靶Tl产生的尾波场电子加速与辐射结果。如图5中(a)所示，根据本发明的基本原理，注入尾波场的电子束呈薄片状结构(即上述电子飞片)，电子飞片在尾波场中获得加速同时横向逐渐收缩。图5中(b)示出了相应产生的阿秒辐射在不同传播时刻的结构。产生的阿秒脉冲的精细结构如图6所示，脉宽为120阿秒，峰值光强接近3xl019瓦每平方厘米，总能量为12毫焦。在三维情形下，该阿秒脉冲以Gtl=IO度的立体锥角从等离子体辐射出来。采用更大焦斑的入射驱动激光可以获得具有更高辐射强度和能量的阿秒脉冲。该阿秒脉冲具有完全的时空相干性，且能量高、峰值光强大、脉宽一般小于200阿秒，适合大分子结构的单发成像、重元素离化控制等大量基础科学研究与实际工业应用。
[0089]本发明的激光尾波场加速器及产生高亮度阿秒光脉冲的方法具有以下优点:
[0090]实现技术要求低:本发明采用的气体靶发生技术已很成熟，目前已能实现最短200微米的超短气体靶。气体靶的密度整形可通过多种手段实现，如第一实施方式中的激光加工技术，即使是气体靶固有的百微米量级的密度上升型边界也可满足本发明的要求。本发明所使用的百太瓦至拍瓦峰值功率的超短脉冲激光器已经可从某些激光器生产商订购；
[0091]产生的辐射品质高:上述典型的数值结果表明，采用本发明的方法，可以直接产生相对论强度、相干阿秒脉冲辐射，突破了现有的基于大型传统加速器所能输出的脉冲辐射参数(皮秒脉宽、非相干、或部分相干);
[0092]成本低:本发明基于超短强激光与等离子体相互作用，具有高效、紧凑等优势，相对基于大型传统加速器的方案，本发明成本非常低。与基于强激光与固体靶相互作用的方案相比，本发明仅使用气体靶，因而在实验上具备高重复率实现的潜力。
[0093]应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样属于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种用于产生阿秒光脉冲的激光尾波场加速器，其特征在于，所述激光尾波场加速器包括: 激光源，所述激光源用于产生驱动激光；和 真空室，所述真空室内设有气体发生装置和聚焦系统，其中，所述气体发生装置用于产生沿驱动激光传播方向具有上升型密度前沿的气体靶，而所述聚焦系统用于对驱动激光进行聚焦；其中， 所述激光源产生的驱动激光经所述聚焦系统聚焦后，入射到所述的气体靶，使所述气体靶中的气体分子被所述激光束电离，产生阿秒电子片注入并同步加速电子片，从而获得阿秒光脉冲。
2.如权利要求1所述的 激光尾波场加速器，其特征在于，所述气体发生装置包括气体喷嘴，所述气体喷嘴为亚毫米长的超短超音速气体喷嘴，并且所述气体喷嘴的出口具有锐的边界。
3.如权利要求1所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述气体发生装置包括气体喷嘴，在所述气体喷嘴的出口设置有用于控制所述气体靶的喷射形态的金属片，所述金属片具有锐边界，金属片的所述锐边界与所述气体靶接触。
4.如权利要求1所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述激光尾波场加速器还包括激光预加工系统，所述激光预加工系统用于向所述气体靶提供加工激光以对气体靶进行密度分布整形，所述激光预加工系统包括: 空间光强调制掩模片，所述空间光强调制掩模片用于对所述加工激光的横向空间光强分布进行调制，所述掩模片的单孔线宽为20-500微米，较佳地50-200微米；和 棱镜对，所述棱镜对用于对调制后的加工激光进行聚焦并调整所述加工激光的绝对光强； 其中，经棱镜对聚焦后的加工激光沿与驱动激光的传播方向垂直的方向入射到气体靶；并且 所述驱动激光晚于加工激光入射到气体靶，驱动激光相对加工激光入射到气体靶的延迟不小于2纳秒，较佳地该延迟为2-10纳秒。
5.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述驱动激光满足以下参数: (^)所述驱动激光聚焦到气体靶上的腰斑半径为微米量级，一般为10-100微米，较佳地10~50微米； (^)所述驱动激光的脉宽为1~100飞秒，较佳地5~50飞秒； ((6)所述驱动激光的峰值功率为100~10000太瓦，较佳地200~5000太瓦。
6.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述气体靶满足以下参数: (幻所述气体靶沿所述驱动激光传播方向的尺寸为100~10000微米，较佳地100~1000微米； (^)所述气体靶在与所述驱动激光传播方向垂直的方向上的一定尺度内密度均匀性好，较佳地该尺度范围为10~100微米； (0)所述气体靶被电离后包含的最大电子数密度为1018~1021个每立方厘米，较佳地为1O19~102°个每立方厘米； (d)所述上升型密度前沿的沿驱动激光传播方向的长度为10~500微米，较佳地50-200 微米。
7.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述驱动激光聚焦到气体靶上的腰斑半径大于所述气体靶的最大电子数密度对应的电子等离子体波波长。
8.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述激光尾波场加速器产生阿秒脉宽的稠密电子飞片，即呈薄片状结构的电子束。
9.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述激光尾波场加速器产生的阿秒光脉冲具有以下特性: (a)具有时空相干性； (b)光强的半高全宽脉宽〈500阿秒； (c)总能量大于2毫焦耳； (d)呈锥状形态从等离子体辐射出，相对于驱动激光传播方向锥角Qtl取决于驱动激光和气体靶参数，一般为10-30度； (e)电矢量偏振态接近径向偏振。
10.一种用于产生阿秒光脉冲的方法,其特征在于,所述方法包括: (a)提供脉宽为飞秒量级的驱动激光并提供沿驱动激光传播方向具有上升型密度前沿的气体靶； (b)将所述驱动激光经聚焦后，产生光斑半径为微米量级的激光脉冲； (C)将经聚焦后的激光束导入所述的气体靶，从而产生并加速呈薄片状结构的电子束，即电子飞片，所述电子飞片在尾波场中产生阿秒光脉冲。
【文档编号】H05H5/00GK103841744SQ201410101155
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】黎飞宇, 盛政明, 陈民, 於陆勒, 张 杰 申请人:上海交通大学