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激光等離子體相互作用中存在著許多優(yōu)美的結(jié)構(gòu)和豐富的波波、波粒相互作用，這其中由超短、超強(qiáng)激光脈沖在氣體密度等離子體中激發(fā)的等離子體尾波及其對(duì)帶電粒子的加速，由于有著極重要的應(yīng)用前景，在世界范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注和研究。激光尾波不僅具有強(qiáng)大的縱向和橫向電場(chǎng)，可以在20厘米尺度內(nèi)將電子從靜止加速到7.8GeV能量（78億電子伏特，見(jiàn)2018-AAC會(huì)議，美國(guó)LBNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Wim Leemans 組最新實(shí)驗(yàn)報(bào)道結(jié)果），還可以產(chǎn)生短至幾十阿秒（10-18s）的電磁脈沖，尾波間的相互作用更是研究非線性波物理的一個(gè)絕好平臺(tái)。這為新型加速器物理、阿秒物理及非線性物理研究提供了新的機(jī)遇。長(zhǎng)久以來(lái)如何獲得高質(zhì)量、穩(wěn)定且可調(diào)諧的電子束，是制約尾波加速走向大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)瓶頸；而如何探測(cè)這些小至幾十微米（10-6米）且以近光速運(yùn)動(dòng)的非線性波結(jié)構(gòu)，又是高效控制加速品質(zhì)的前提；同時(shí)，尾波-尾波間的相互作用及其對(duì)帶電粒子加速的影響是一個(gè)意義重大，卻尚未被廣泛觸及的難題。
最近上海交通大學(xué)（SJTU）物理與天文學(xué)院，激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳民教授，及博士生羅輯，與美國(guó)內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)（UNL）Donald Umstadter教授，及博士后Grigory Golovin和閆文超等人合作，首次在相對(duì)論等離子體波-波碰撞注入及尾波結(jié)構(gòu)探測(cè)方面取得了新的進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析工作在林肯大學(xué)開(kāi)展，模擬和理論分析工作在上海交通大學(xué)開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)中，他們利用兩束脈寬為35fs，聚焦強(qiáng)度分別達(dá)到4.1X1018W/cm2（驅(qū)動(dòng)光脈沖）和1.7X1020W/cm2（注入光脈沖），以155度夾角入射的激光脈沖與電子密度為1019/cm3的等離子體相互作用，通過(guò)對(duì)兩束光在大范圍（-850fs~950fs，跨度超過(guò)50個(gè)等離子體波周期）內(nèi)的延遲調(diào)控，研究了驅(qū)動(dòng)激光尾波加速電子束的電量和能量與脈沖延遲間的關(guān)系, 首次觀察到了由于等離子體尾波-尾波相互作用導(dǎo)致的電子注入新機(jī)制，并確認(rèn)了等離子體尾波的存活時(shí)間；他們又通過(guò)對(duì)兩束光在小范圍內(nèi)高精度延遲調(diào)節(jié)（最小調(diào)節(jié)步長(zhǎng)6fs，小于等離子體波的時(shí)間周期35fs），研究了注入電量和最終加速能量與脈沖延遲的關(guān)系，首次用該方法測(cè)量了等離子體尾波的周期，與理論計(jì)算值一致。理論上，通過(guò)大規(guī)模的數(shù)值模擬和分析研究，上海交大團(tuán)隊(duì)在數(shù)以億計(jì)的軌跡中找到了數(shù)類特征電子注入軌跡（見(jiàn)圖1），再現(xiàn)了波波碰撞電子注入的不同途徑，發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)與以往雙束光對(duì)撞注入機(jī)制不同的又一新機(jī)制：與通常注入過(guò)程中電子運(yùn)動(dòng)主要受到激光作用不同，最新的研究發(fā)現(xiàn)在大延遲或大注入光強(qiáng)下，注入或驅(qū)動(dòng)激光激發(fā)的尾波都會(huì)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，造成電子軌跡擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)波波碰撞注入；同時(shí)，模擬也再現(xiàn)了注入電量隨雙束光延遲變化的非對(duì)稱依賴性（見(jiàn)圖2a），由此獲得了尾波存活的有效時(shí)間。以上理論和數(shù)值模擬研究，為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提供了清晰合理的微觀解釋，使人們對(duì)尾波加速和演化的認(rèn)識(shí)進(jìn)入更大的時(shí)空尺度。
同時(shí)，該研究不僅為尾波加速提供了一種新的電子注入機(jī)制，為尾波探測(cè)提供了新的方法，也為相對(duì)論非線性波間的相互作用研究提供了新的平臺(tái)，將來(lái)有望應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室天體物理、聚變物理等高能量密度物理研究中。
這個(gè)工作近期發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)（PRL，121，104801 （2018））上。這是激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與合作者自2013年以來(lái)，繼基于激光尾波的阿秒電子層產(chǎn)生和輻射（PRL, 110, 135002（2013））；高品質(zhì)激光尾波電子離化注入方案（PRL, 112, 125001 (2014); PRL, 114, 084801 (2015)）；基于等離子體波蕩器的可控激光尾波輻射（Light: Science & Applications, 5, e16015 (2016)）；基于激光尾波加速的全光高階非線性湯姆遜散射（Nature Photonics, 11, 514 (2017)）；基于彎曲等離子體通道的新型級(jí)聯(lián)加速方案（PRL, 120, 154801（2018））系列研究之后，在激光尾波加速及其應(yīng)用領(lǐng)域的又一重要進(jìn)展。
該研究獲得了國(guó)家973A類項(xiàng)目（2013CBA01504），青年973項(xiàng)目（2015CB859700）國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目（11721091）和面上項(xiàng)目（11774227），以及美國(guó)能源部等項(xiàng)目的支持。大規(guī)模數(shù)值模擬研究在上海交通大學(xué)P超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成。
