發(fā)展小型化、低成本激光粒子加速器一直是科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的尾波場(chǎng)電子加速器具有比傳統(tǒng)的射頻加速器高出三個(gè)量級(jí)以上的超高加速梯度，為實(shí)現(xiàn)小型化的高能粒子加速器等提供了全新技術(shù)途徑，也將對(duì)未來(lái)的同步輻射裝置、自由電子激光以及高能物理研究等帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。近十年來(lái)，激光尾波場(chǎng)電子加速研究已經(jīng)取得許多重要進(jìn)展，但是在產(chǎn)生高品質(zhì)電子束方面還面臨諸多難題和挑戰(zhàn)，例如能散度壓縮與穩(wěn)定性提高等，使其在應(yīng)用方面的研究受到限制。

近年來(lái)，中科院上海光機(jī)所該研究團(tuán)隊(duì)在激光尾波場(chǎng)電子加速方向開(kāi)展了獨(dú)具特色的研究，國(guó)際上**成功實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)雙尾波場(chǎng)準(zhǔn)單能高能電子加速方案，實(shí)驗(yàn)獲得了GeV級(jí)準(zhǔn)單能電子束等重要研究成果（Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011)；Appl. Phys. Lett. 103, 243501(2013)）。在本項(xiàng)研究中，研究人員又**地設(shè)計(jì)了級(jí)聯(lián)尾波場(chǎng)加速新方案，通過(guò)在兩段級(jí)聯(lián)的等離子體之間引入一段高密度等離子體，控制電子束的穩(wěn)相加速及能量啁啾反轉(zhuǎn)和能散度壓縮，克服了單級(jí)尾波場(chǎng)加速方案中能散度無(wú)法獨(dú)立控制的技術(shù)瓶頸，實(shí)驗(yàn)獲得了高品質(zhì)（200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流強(qiáng)1-8 kA、發(fā)散角～0.2 rms mrad）的高能電子束。電子束各項(xiàng)重要性能指標(biāo)的**提升，使得電子束*高的六維相空間亮度達(dá)到6.5×10¹⁵A/m²/0.1%，遠(yuǎn)高于目前國(guó)際上報(bào)道的同類(lèi)研究結(jié)果，也是激光電子加速在國(guó)際上**接近*先進(jìn)的直線(xiàn)加速器所能獲得的電子束亮度。三維粒子模擬也揭示，該級(jí)聯(lián)加速新方案能夠有效抑制電子的二次注入，實(shí)現(xiàn)電子束的穩(wěn)相加速，并通過(guò)控制電子束的能量啁啾和壓縮能散度獲得低能散度、低發(fā)散角及高流強(qiáng)的高亮度高品質(zhì)電子束。

評(píng)審專(zhuān)家對(duì)該研究結(jié)果給予了高度評(píng)價(jià)：“該亮度是迄今激光尾波場(chǎng)加速器實(shí)現(xiàn)的*高紀(jì)錄”；“相比于以前的方案，該方案通過(guò)高密度區(qū)，恰當(dāng)?shù)夭倏亓俗宰⑷腚娮邮淖⑷胛幌?..并且電子束的能量啁啾在加速過(guò)程中能夠得到補(bǔ)償...是一個(gè)新的方案，在產(chǎn)生數(shù)百M(fèi)eV具有千分之**相對(duì)能散并高電荷量的高品質(zhì)、高亮度電子束方面取得了重大進(jìn)展...”；“利用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的密度分布產(chǎn)生了200-600 MeV的具有低能散度、低發(fā)散角的電子束...提出的新方法實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的電子束流品質(zhì)”。

利用該方案獲得的高亮度高能電子束應(yīng)用于逆康普頓散射伽馬射線(xiàn)源產(chǎn)生方面也獲得了突破。利用該電子束與超強(qiáng)超短激光對(duì)撞產(chǎn)生了超高亮度準(zhǔn)單色MeV量級(jí)伽馬射線(xiàn)源，其*高峰值亮度達(dá)3×10²² photons s^-1 mm^-2 mrad^-2 0.1%BW，與國(guó)際上報(bào)道的同類(lèi)伽馬射線(xiàn)源亮度相比高出一個(gè)量級(jí)以上，比傳統(tǒng)伽馬射線(xiàn)源同能區(qū)的峰值亮度提高了10萬(wàn)倍。相關(guān)研究結(jié)果近期已發(fā)表于Scientific Reports （6, 29518 (2016)）。

該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院等有關(guān)項(xiàng)目的支持。目前，該研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展小型化全光自由電子激光裝置的研制工作。利用該級(jí)聯(lián)尾波場(chǎng)加速新方案成功產(chǎn)生的高亮度高能電子束，將會(huì)顯著促進(jìn)小型化自由電子激光等重要領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

圖(a) 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的（530-580 MeV）高品質(zhì)電子束能量和發(fā)散角分布；(b) 對(duì)應(yīng)于(a)的高品質(zhì)電子束能譜圖；(c) 電子束的六維相空間亮度B_{6D,n ，}可比擬于世界上*先進(jìn)的直線(xiàn)加速器。