激光尾波場加速（Laser Wakefield Acceleration, LWFA）憑借比傳統(tǒng)加速器高出千倍以上的加速梯度，有望推動(dòng)加速器朝著小型化、低成本的方向變革，在新型輻射源、醫(yī)學(xué)成像、腫瘤放療等領(lǐng)域潛力巨大。然而，電子束注入機(jī)制在很大程度上決定了最終電子束的能量、能散和穩(wěn)定性。

       離化注入機(jī)制因其能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生大電量電子束而被廣泛應(yīng)用，但氣體持續(xù)離化導(dǎo)致的連續(xù)注入過程，使得離化注入機(jī)制得到的電子通常為連續(xù)寬譜，限制了其在高精度物理實(shí)驗(yàn)和緊湊型光源中的應(yīng)用。如何在保持注入穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可控制截止的離化注入，一直是激光等離子體加速領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

圖1 剪式交叉離化注入的物理機(jī)制示意

       本工作中，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新型的剪式交叉離化注入方案，該理論方案于2022年由李大章研究員、曾明特聘研究員團(tuán)隊(duì)提出[3]。該方法通過引入一束觸發(fā)激光，與驅(qū)動(dòng)激光在等離子體中以約30°夾角交叉，使兩束激光的疊加電場僅在極小的時(shí)空區(qū)域內(nèi)超過原子內(nèi)層電子的離化閾值，從而觸發(fā)局域、瞬態(tài)的離化注入過程（圖1）。

       與傳統(tǒng)連續(xù)離化注入不同，該機(jī)制能夠在注入窗口關(guān)閉后迅速終止離化電子和注入，使被捕獲電子幾乎在同一加速相位進(jìn)入尾波場，有效抑制了能散展寬問題。該方案通過雙激光時(shí)空同步實(shí)現(xiàn)，對實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)具有良好的兼容性和可擴(kuò)展性。

圖2 剪式交叉離化注入條件下的電子能譜與統(tǒng)計(jì)結(jié)果

       在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)比較了不同氣體類型及不同激光配置下的電子注入行為。結(jié)果表明，當(dāng)采用氮?dú)獠㈤_啟觸發(fā)激光時(shí)，剪式交叉離化注入能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生準(zhǔn)單能電子束（圖2）。相比之下，傳統(tǒng)的碰撞注入、自注入或單激光條件下，電子束普遍表現(xiàn)出能譜展寬大、穩(wěn)定性差等問題。進(jìn)一步的時(shí)間延遲掃描實(shí)驗(yàn)顯示，通過精確調(diào)控兩束激光的飛秒級時(shí)間延遲，可以靈活調(diào)節(jié)電子束的電荷量與能譜特性，充分體現(xiàn)了該注入機(jī)制的可控性。

圖3 剪式交叉離化注入的PIC模擬結(jié)果

       為深入理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)開展了Particle-in-Cell數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，電子主要來源于氮原子內(nèi)層電子的離化注入，且注入?yún)^(qū)域高度局域化。由于注入長度在微米量級，電子在隨后的加速過程中始終處于相近的加速相位，從而形成準(zhǔn)單能能譜。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測高度一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了剪式交叉離化注入在抑制連續(xù)注入、提升電子束品質(zhì)方面的獨(dú)特優(yōu)勢（圖3）。

       在此項(xiàng)計(jì)算機(jī)模擬工作過程中，研究團(tuán)隊(duì)提出了用預(yù)設(shè)電磁場時(shí)空分布模擬斜入射激光的模擬算法。目前準(zhǔn)柱坐標(biāo)的PIC模擬算法已經(jīng)成為LWFA的主流模擬方法，其在保持與全三維模擬算法相同的準(zhǔn)確性的前提下，將模擬效率提高了2到3個(gè)數(shù)量級。但是準(zhǔn)柱坐標(biāo)的PIC算法在碰到大大偏離柱對稱的問題時(shí)會失效，比如此項(xiàng)工作中存在斜入射激光的情況。我們研究發(fā)現(xiàn)，在斜入射激光與主激光作用范圍較小（10微米量級）的情況下，可在準(zhǔn)柱坐標(biāo)的PIC算法中用解析的電磁場分布代替斜入射激光，從而同時(shí)保持模擬的高效率和準(zhǔn)確性。在這個(gè)新算法的幫助下，我們實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高效率模擬復(fù)現(xiàn)。該粒子模擬方法發(fā)表在Phys. Rev. Accel. Beams 28, 021301 (2025)。

       該研究在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了剪式交叉離化注入機(jī)制的可行性與優(yōu)勢，成功解決了傳統(tǒng)離化注入中連續(xù)注入導(dǎo)致能散展寬的關(guān)鍵問題。該方法通過局域電場疊加實(shí)現(xiàn)可控的局域注入，為獲得高電荷、低能散、高重復(fù)性電子束提供了一種全新的技術(shù)路徑。未來，該注入機(jī)制將在推動(dòng)緊湊型激光粒子加速器AI智能化、光源優(yōu)化及強(qiáng)場QED物理研究等方面發(fā)揮重要作用，并有望為高品質(zhì)電子束在腫瘤細(xì)胞精準(zhǔn)放療方面的研究提供有力支撐。