导读
由于超高加速梯度和产生高亮度电子束的能力，激光驱动电子加速技术受到了广泛关注。然而，一个影响电子束应用的关键参数—三维密度分布，由于缺乏合适的诊断手段，一直未能在实验中被实时检测。近日，由日本量子科学技术研究开发机构(QST), 关西光量子科学研究所(KPSI)的神门正城(Kando Masaki)副所长和大阪大学产业科学研究所的细贝知直(Hosokai Tomonao)教授领导的研究团队通过先进的光学诊断和数值分析技术，实现了对激光驱动的千安级飞秒电子束的单发三维空间光学成像。
研究背景
粒子加速器长期以来一直是推动高能物理、材料科学、生物学和化学等各个学科科学知识进步不可或缺的工具。然而，由于射频腔的加速梯度限制，传统加速器有着庞大的尺寸和高昂的成本。1979年，T. Tajima和J. Dawson博士开创性地提出了激光尾波场电子加速（LWFA）。超强激光脉冲在低密度等离子体中传播时可以激发出高强度的电子等离子波—尾波。被这种波动所捕获的电子可以在1厘米的距离内获得10亿电子伏特的能量—比传统加速器快千倍。该加速机制所产生的电子束具有飞秒级的时间尺度，为超快研究提供了前所未有的机会。凭借其高加速梯度和产生高亮度电子束的能力，LWFA在高能物理学和X射线泵浦探测研究等领域具有巨大的潜力。
电子束的三维密度分布是衡量加速器性能的一个重要参数。该参数影响到对撞机和次生X射线源的亮度。对于X射线自由电子激光（XFEL），三维电子密度影响到振荡器内的激光增益过程。然而，直到现在，由于缺乏诊断方法，电子束三维构造的实验测量一直难以实现。LWFA电子束的不稳定性更是增加了这一诊断的难度。虽然横向或纵向的相对分布已经被研究，完整的三维空间构造和电子密度的绝对值尚未得到实时检测。
研究创新
在实验上，本研究通过对光学渡越辐射（optical transition radiation, OTR）成像获取了电子束的横向分布信息。通过电光（electro-optic, EO）空间解码获取了电子束的时间分布信息，见图1。
图 1 基于电光晶体技术的电子束三维成像技术的概念图。 通过高功率激光与气体相互作用产生高能量电子束。电子穿过金属箔时会产生渡越辐射。在真空中通过反射式成像系统将渡越辐射收集到电光晶体上。之后，对位于相面的渡越辐射同时进行OTR成像和电光空间解码，以实现在单次测量中获取电子束的空间-时间信息。
在数据分析方面，为了克服电子束产生的渡越辐射场的多色相干成像和电光晶体中电场的色散传播的难题，研究团队进行了挑战性的数值计算研究和高速计算程序的开发。最终通过引入遗传算法 (genetic algorithm, GA)，成功重建了来自LWFA的超快电子束的详细三维结构，揭示了电子束的复杂动态， 见图2。
图 2 数值计算研究方面的努力。通过同时进行光学渡越辐射成像(OTR)和电光空间编码(EO)，并引入遗传算法(genetic algorithm)，实现了单发的电子束三维密度分布测量。
研究结果显示，电子束的横向尺寸小于30微米，表明OTR成像技术具有优秀的微米级的空间分辨率。此外，电流分布呈现出复杂的多峰形状：具有低于10飞秒的时间结构，其峰值电流超过1千安培，电子束的三位数密度超过9×1021 m-3。这一密度数值证明了激光尾波场加速机制的出色性能。这一突破性的检测技术可以被应用在束流传输过程的任意位置，为深入研究粒子加速器中的束流演化提供了极大的便利。
应用前景和展望
电子束的三维密度测量将加深激光驱动电子加速研究中电子束注入，加速，和传输过程中束流动力学的理解，并释放其在各种应用中的潜力。本研究中开发的实验诊断技术和数值计算方法在加速器物理学、高功率激光和太赫兹光学等一系列学科中具有深远的影响。
相关成果以“Electro-optic 3D snapshot of a laser wakefield accelerated kilo-ampere electron bunch” 为题，发表在Light: Science & Applications上。日本量子科学技术研究开发机构（QST）的主任研究员黄开博士为论文的第一作者和通讯作者。大阪大学的金展副教授和QST的中新信彦(Nakanii Nobuhiko)博士是实验的主要合作者。本工作得到了日本科学技术振兴机构大型科学研发项目JST-Mirai（未来社会）（Grant No. JPMJMI17A1）、日本学术振兴会科研费（JSPS KAKENHI，Grant No. JP21K17998、No. JP23K17152、No. JP22K12665）以及日本QST理事长基金（萌芽研究）的资助。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01440-2
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