辐射反作用力影响下的激光直接加速定标研究（New Journal of Physics）

在低密度等离子体与强激光脉冲的相互作用中，等离子体中的电子可以被加速到相对论速度。激光脉冲的持续时间不同，电子加速的机制也有不同。对于有效的激光尾波场加速（LWFA），激光脉冲持续时间（τ0）应该与电子等离子体频率（1/ωp）在同一数量级，实现这一目标则需要激光脉冲为飞秒量级（~30 fs）。迄今为止，在LWFA实验中，获得的最高电子能量为7.8 GeV。当激光脉冲τ0＞1/ωp时，LWFA的效率不高，因而研究人员探索了另一种加速机制，即直接激光加速机制。

       当激光在低密度等离子体中传播时，有质动力将电子向侧面排出，从而形成带正电的等离子体通道。与LWFA相比，长激光脉冲阻止了纵向等离子体波的形成，但是，由于电荷位移和电子电流，长程横向加速场依然存在。当电子加速器振荡的频率接近多普勒频移激光频率时，此时激光能量就可以有效地耦合到电子，从而实现电子共振加速。

       下一代的10 PW激光系统将激光强度提高到1022-23 W/cm2时，相对论电子在强电磁场中会产生辐射，因而丢失能量，进而影响电子的运动轨迹，即辐射反作用力（RR）。当利用超强激光脉冲与等离子体相互作用实现激光直接加速（DLA）时，电子轨迹的一个微小的局部变化就能决定该电子是否能实现电子加速器共振，因此，有必要评估超高强度激光的辐射反作用了对DLA的影响。

        近期，捷克科学院物理研究所的M. Jirka等人研究了超强激光脉冲辐照下亚临界等离子体通道内的电子加速，提出了一种定量描述包含RR在内的DLA加速机制的物理模型。该研究成果以“Scaling laws for direct laser acceleration in a radiation-reaction dominated regime” 为题发表在New Journal of Physics。

图1：强激光脉冲加速等离子体通道中的电子

在文章中，研究人员分析了超强线偏振激光辐照下等离子体通道中单个电子的加速运动过程，建立了耦合振荡的粒子的解析描述。该耦合振荡运动利用不变参数L来表示获得震荡电子的最佳共振条件，如图2所示。

       理论结果表明：利用DLA方案，电子只有在达到电子回旋共振频率时才能被有效加速。这个条件是否满足则取决于电子的初始条件（例如离轴的距离、初始动量等）和背景等离子体密度。当激光强度非常大时，辐射反作用力限制了共振轨迹上电子可达到的最大能量。同时，辐射反作用导致了电子共振条件随着时间发生变化，但是允许更多数量的电子在初始条件不佳的情况下，也能达到共振。

图2：共振周期中辐射反作用力诱导的L变化

为了验证本文中的理论模型，研究人员进行了测试粒子模拟和2D粒子模拟结果。通过测试粒子方法，研究人员的获得了最大电子能量与径向初始位置和电子等离子体频率的关系图。如图3所示，当具有相似参数的点之间的最大能量的突然跳跃时，则表明了加速机制的共振性质。当激光强度较小时，无论是在获得的能量绝对值上，还是在有利于实现电子共振加速的参数上，有没有RR结果差异很小。相比之下，对于a0=500，使用RR获得的最大能量比不使用RR时低约两倍。但最显著的区别在于达到最大能量的参数范围。由于相对辐射影响电子动力学，从而影响通道中粒子振荡和激光场之间相位匹配过程的演变，因此可以在更宽的初始条件范围内实现有效的电子加速，与理论结果达成了一致。

图3：电子能量与等离子体频率和初始径向距离的关系

根据文中的计算，研究人员发现，使用近未来的激光(10 PW级，150 fs)，可以在0.5 mm长的等离子体通道内获得单级加速的数GeV电子。如果通道和激光参数匹配达到最佳结果，电子能量可以超过10 GeV。文中以解析的标度公式给出了所需的条件，这些条件可为未来的电子加速实验提供参考。

       文章信息 New Journal of Physics, Vol. 22, Aug. 2020 DOI:10.1088/1367-2630/aba653
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/aba653