[发明专利]激光尾波场加速器及产生高亮度阿秒光脉冲的方法

权利要求书

1.一种用于产生阿秒光脉冲的激光尾波场加速器，其特征在于，所述激光尾波场加速器包括：

激光源，所述激光源用于产生驱动激光；和

真空室，所述真空室内设有气体发生装置和聚焦系统，其中，所述气体发生装置用于产生沿驱动激光传播方向具有上升型密度前沿的气体靶，而所述聚焦系统用于对驱动激光进行聚焦；其中，

所述激光源产生的驱动激光经所述聚焦系统聚焦后，入射到所述的气体靶，使所述气体靶中的气体分子被所述激光束电离，产生阿秒电子片注入并同步加速电子片，从而获得阿秒光脉冲。

2.如权利要求1所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述气体发生装置包括气体喷嘴，所述气体喷嘴为亚毫米长的超短超音速气体喷嘴，并且所述气体喷嘴的出口具有锐的边界。

3.如权利要求1所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述气体发生装置包括气体喷嘴，在所述气体喷嘴的出口设置有用于控制所述气体靶的喷射形态的金属片，所述金属片具有锐边界，金属片的所述锐边界与所述气体靶接触。

4.如权利要求1所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述激光尾波场加速器还包括激光预加工系统，所述激光预加工系统用于向所述气体靶提供加工激光以对气体靶进行密度分布整形，所述激光预加工系统包括：

空间光强调制掩模片，所述空间光强调制掩模片用于对所述加工激光的横向空间光强分布进行调制，所述掩模片的单孔线宽为20-500微米，较佳地50-200微米；和

棱镜对，所述棱镜对用于对调制后的加工激光进行聚焦并调整所述加工激光的绝对光强；

其中，经棱镜对聚焦后的加工激光沿与驱动激光的传播方向垂直的方向入射到气体靶；并且

所述驱动激光晚于加工激光入射到气体靶，驱动激光相对加工激光入射到气体靶的延迟不小于2纳秒，较佳地该延迟为2-10纳秒。

5.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述驱动激光满足以下参数：

(a)所述驱动激光聚焦到气体靶上的腰斑半径为微米量级，一般为10-100微米，较佳地10～50微米；

(b)所述驱动激光的脉宽为1～100飞秒，较佳地5～50飞秒；

(c)所述驱动激光的峰值功率为100～10000太瓦，较佳地200～5000太瓦。

6.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述气体靶满足以下参数：

(a)所述气体靶沿所述驱动激光传播方向的尺寸为100～10000微米，较佳地100～1000微米；

(b)所述气体靶在与所述驱动激光传播方向垂直的方向上的一定尺度内密度均匀性好，较佳地该尺度范围为10～100微米；

(c)所述气体靶被电离后包含的最大电子数密度为10¹⁸～10²¹个每立方厘米，较佳地为10¹⁹～10²⁰个每立方厘米；

(d)所述上升型密度前沿的沿驱动激光传播方向的长度为10～500微米，较佳地50-200微米。

7.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述驱动激光聚焦到气体靶上的腰斑半径大于所述气体靶的最大电子数密度对应的电子等离子体波波长。

8.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述激光尾波场加速器产生阿秒脉宽的稠密电子飞片，即呈薄片状结构的电子束。

9.如前述权利要求中任一项所述的激光尾波场加速器，其特征在于，所述激光尾波场加速器产生的阿秒光脉冲具有以下特性：

(a)具有时空相干性；

(b)光强的半高全宽脉宽<500阿秒；

(c)总能量大于2毫焦耳；

(d)呈锥状形态从等离子体辐射出，相对于驱动激光传播方向锥角θ₀取决于驱动激光和气体靶参数，一般为10-30度；

(e)电矢量偏振态接近径向偏振。

10.一种用于产生阿秒光脉冲的方法，其特征在于，所述方法包括：

(a)提供脉宽为飞秒量级的驱动激光并提供沿驱动激光传播方向具有上升型密度前沿的气体靶；

(b)将所述驱动激光经聚焦后，产生光斑半径为微米量级的激光脉冲；

(c)将经聚焦后的激光束导入所述的气体靶，从而产生并加速呈薄片状结构的电子束，即电子飞片，所述电子飞片在尾波场中产生阿秒光脉冲。