發(fā)展小型化、低成本激光粒子加速器一直是科學(xué)家們夢寐以求的目標(biāo)。超強超短激光驅(qū)動的尾波場電子加速器具有比傳統(tǒng)的射頻加速器高出三個量級以上的超高加速梯度，為實現(xiàn)小型化的高能粒子加速器等提供了全新技術(shù)途徑，也將對未來的同步輻射裝置、自由電子激光以及高能物理研究等帶來深遠的影響。近十年來，激光尾波場電子加速研究已經(jīng)取得許多重要進展，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，中科院上海光機所該研究團隊在激光尾波場電子加速方向開展了獨具特色的研究，國際上**成功實現(xiàn)級聯(lián)雙尾波場準單能高能電子加速方案，實驗獲得了GeV級準單能電子束等重要研究成果（Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011)；Appl. Phys. Lett. 103, 243501(2013)）。在本項研究中，研究人員又**地設(shè)計了級聯(lián)尾波場加速新方案，通過在兩段級聯(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，克服了單級尾波場加速方案中能散度無法獨立控制的技術(shù)瓶頸，實驗獲得了高品質(zhì)（200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流強1-8 kA、發(fā)散角～0.2 rms mrad）的高能電子束。電子束各項重要性能指標(biāo)的**提升，使得電子束*高的六維相空間亮度達到6.5×10¹⁵A/m²/0.1%，遠高于目前國際上報道的同類研究結(jié)果，也是激光電子加速在國際上**接近*先進的直線加速器所能獲得的電子束亮度。三維粒子模擬也揭示，該級聯(lián)加速新方案能夠有效抑制電子的二次注入，實現(xiàn)電子束的穩(wěn)相加速，并通過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)散角及高流強的高亮度高品質(zhì)電子束。

評審專家對該研究結(jié)果給予了高度評價：“該亮度是迄今激光尾波場加速器實現(xiàn)的*高紀錄”；“相比于以前的方案，該方案通過高密度區(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程中能夠得到補償...是一個新的方案，在產(chǎn)生數(shù)百MeV具有千分之**相對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...提出的新方法實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的電子束流品質(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源產(chǎn)生方面也獲得了突破。利用該電子束與超強超短激光對撞產(chǎn)生了超高亮度準單色MeV量級伽馬射線源，其*高峰值亮度達3×10²² photons s^-1 mm^-2 mrad^-2 0.1%BW，與國際上報道的同類伽馬射線源亮度相比高出一個量級以上，比傳統(tǒng)伽馬射線源同能區(qū)的峰值亮度提高了10萬倍。相關(guān)研究結(jié)果近期已發(fā)表于Scientific Reports （6, 29518 (2016)）。

該項研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院等有關(guān)項目的支持。目前，該研究團隊正在開展小型化全光自由電子激光裝置的研制工作。利用該級聯(lián)尾波場加速新方案成功產(chǎn)生的高亮度高能電子束，將會顯著促進小型化自由電子激光等重要領(lǐng)域的研究進程。

圖(a) 實驗測量的（530-580 MeV）高品質(zhì)電子束能量和發(fā)散角分布；(b) 對應(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*先進的直線加速器。