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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大的縱向和橫向電場，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2018-AAC會議，美國LBNL國家實驗室Wim Leemans 組最新實驗報道結(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絕好平臺。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遇。長久以來如何獲得高質(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)用的一個瓶頸；而如何探測這些小至幾十微米（10-6米）且以近光速運動的非線性波結(jié)構(gòu)，又是高效控制加速品質(zhì)的前提；同時，尾波-尾波間的相互作用及其對帶電粒子加速的影響是一個意義重大，卻尚未被廣泛觸及的難題。
最近上海交通大學（SJTU）物理與天文學院，激光等離子體教育部重點實驗室陳民教授，及博士生羅輯，與美國內(nèi)布拉斯加林肯大學（UNL）Donald Umstadter教授，及博士后Grigory Golovin和閆文超等人合作，首次在相對論等離子體波-波碰撞注入及尾波結(jié)構(gòu)探測方面取得了新的進展。實驗及數(shù)據(jù)分析工作在林肯大學開展，模擬和理論分析工作在上海交通大學開展。實驗中，他們利用兩束脈寬為35fs，聚焦強度分別達到4.1X1018W/cm2（驅(qū)動光脈沖）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，通過對兩束光在大范圍（-850fs~950fs，跨度超過50個等離子體波周期）內(nèi)的延遲調(diào)控，研究了驅(qū)動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-尾波相互作用導致的電子注入新機制，并確認了等離子體尾波的存活時間；他們又通過對兩束光在小范圍內(nèi)高精度延遲調(diào)節(jié)（最小調(diào)節(jié)步長6fs，小于等離子體波的時間周期35fs），研究了注入電量和最終加速能量與脈沖延遲的關(guān)系，首次用該方法測量了等離子體尾波的周期，與理論計算值一致。理論上，通過大規(guī)模的數(shù)值模擬和分析研究，上海交大團隊在數(shù)以億計的軌跡中找到了數(shù)類特征電子注入軌跡（見圖1），再現(xiàn)了波波碰撞電子注入的不同途徑，發(fā)現(xiàn)這是一個與以往雙束光對撞注入機制不同的又一新機制：與通常注入過程中電子運動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下，注入或驅(qū)動激光激發(fā)的尾波都會對電子運動產(chǎn)生顯著影響，造成電子軌跡擾動，實現(xiàn)波波碰撞注入；同時，模擬也再現(xiàn)了注入電量隨雙束光延遲變化的非對稱依賴性（見圖2a），由此獲得了尾波存活的有效時間。以上理論和數(shù)值模擬研究，為實驗觀測提供了清晰合理的微觀解釋，使人們對尾波加速和演化的認識進入更大的時空尺度。
同時，該研究不僅為尾波加速提供了一種新的電子注入機制，為尾波探測提供了新的方法，也為相對論非線性波間的相互作用研究提供了新的平臺，將來有望應(yīng)用于實驗室天體物理、聚變物理等高能量密度物理研究中。
這個工作近期發(fā)表在物理評論快報（PRL，121，104801 （2018））上。這是激光等離子體教育部重點實驗室與合作者自2013年以來，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)域的又一重要進展。
該研究獲得了國家973A類項目（2013CBA01504），青年973項目（2015CB859700）國家自然科學基金創(chuàng)新群體項目（11721091）和面上項目（11774227），以及美國能源部等項目的支持。大規(guī)模數(shù)值模擬研究在上海交通大學P超級計算機上完成。
