【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在緊聚焦激光尾波加速及Betatron輻射的激光脈沖寬度效應(yīng)研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的準(zhǔn)三維粒子模擬，系統(tǒng)掃描了飛秒至數(shù)十飛秒范圍內(nèi)的激光脈沖寬度，揭示了不同脈寬區(qū)間內(nèi)的電子加速與X射線輻射的物理機(jī)制轉(zhuǎn)換規(guī)律，提出了兼顧高能電子產(chǎn)額與Betatron輻射效率的優(yōu)化脈寬窗口。相關(guān)成果以“Pulse-duration dependence of electron acceleration and betatron radiation in tightly focused laser wakefield acceleration”為題，發(fā)表于Optics Express。
 

　　激光尾波加速(LWFA)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)緊湊型高梯度加速器和超快X射線源的重要途徑。緊聚焦、高強(qiáng)度激光可在等離子體中激發(fā)強(qiáng)非線性氣泡結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高電荷電子束注入并產(chǎn)生Betatron輻射。然而，激光脈沖寬度作為關(guān)鍵控制參數(shù)，其對(duì)電子加速與輻射之間的復(fù)雜耦合機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)理解，尤其在高功率緊聚焦條件下。
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用準(zhǔn)三維PIC模型，在約100 TW和1 PW兩個(gè)典型功率水平下，系統(tǒng)掃描了8–50 fs范圍內(nèi)的激光脈沖寬度，系統(tǒng)評(píng)估了電子加速效率(激光-電子能量轉(zhuǎn)換效率)與Betatron輻射性能(光子產(chǎn)額、臨界能量、輻射發(fā)散角、能量轉(zhuǎn)換效率等)。研究發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度可顯著調(diào)控LWFA過(guò)程，并劃分為三種典型作用區(qū)間：
 

　　短脈沖區(qū)間(~10 fs)：激發(fā)高梯度尾場(chǎng)，支持多空泡多束團(tuán)注入，電子加速效率高(~60%)，但尾場(chǎng)過(guò)早塌縮，輻射較弱；
 

　　中等脈寬區(qū)間(20–40 fs)：直接激光加速(DLA)貢獻(xiàn)增強(qiáng)，電子加速效率達(dá)70%，激光到X射線能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)0.4%，輻射光子產(chǎn)額與臨界能量顯著提升，為綜合性能最優(yōu)區(qū)間；
 

　　長(zhǎng)脈沖區(qū)間(≥50 fs)：尾場(chǎng)橫向調(diào)制加劇，出現(xiàn)橫向多泡結(jié)構(gòu)，加速與輻射性能明顯下降。
 

　　在1 PW級(jí)緊聚焦條件下，最優(yōu)脈寬區(qū)間(20–40 fs)可產(chǎn)生電荷量高于40 nC、能量高于1 GeV的電子束，Betatron輻射總光子數(shù)達(dá)4×10¹²，總輻射能量約180 mJ，臨界能量達(dá)1 MeV。固定激光能量(~10 J)掃描進(jìn)一步驗(yàn)證了該優(yōu)化脈寬區(qū)間的穩(wěn)健性。上述結(jié)果為緊聚焦LWFA及高亮度Betatron輻射源的脈寬選擇提供了定量指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了高能電子束與強(qiáng)輻射產(chǎn)額之間的有效平衡。
 

　　該成果為理解激光脈寬在強(qiáng)場(chǎng)尾波加速中的關(guān)鍵調(diào)控作用提供了系統(tǒng)的物理圖像，也為未來(lái)高通量超快X射線源、相襯成像、無(wú)損檢測(cè)及高重頻強(qiáng)場(chǎng)物理應(yīng)用提供了重要參考。
 

　　相關(guān)工作得到得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、及新基石科學(xué)基金會(huì)(探索獎(jiǎng))等基金支持。
 

　　引用：上海光機(jī)所在緊聚焦激光尾波加速與Betatron輻射激光脈寬效應(yīng)研究方面取得進(jìn)展上海光學(xué)精密機(jī)械研究所【引用時(shí)間：2026年5月22日】