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超强激光科学卓越创新简报

(第五百三十六期)

2024年7月31日

上海光机所在基于相位融合效应的电子束预聚束与台式化自由电子激光的研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队，在基于相位融合效应的电子束预聚束与台式化自由电子激光的研究方面取得进展。相关的研究成果以“Bunching enhancement for coherent harmonic generation by using phase merging effects”为题发表于Matter and Radiation at Extremes。

得益于激光尾波场的超高加速梯度，激光尾波场加速器在驱动台式化、低成本的自由电子激光方面具有巨大的潜力，实现激光尾波场加速驱动的台式化自由电子激光也被认为是未来十年的重要挑战之一。结合激光尾波场加速的电子束高流强的特征，通过电子束预聚束等技术可以将电子束流强进一步提升至数十千安甚至百千安量级。即便没有指数增益过程，这种超高流强的电子束通过一段较短的波荡器也可产生强相干辐射。

研究团队设计了基于相位融合效应的电子束预聚束与台式化自由电子激光方案。采用色散段-调制器-色散段的模式，得益于色散段1中引入的电子束相空间耦合，经调制后的电子束通过与之匹配的色散段2后，束团内不同初始能量或者发散角的电子能够聚集在同一相位，进而显著提升电子束的聚束效率。结合激光尾波场加速的电子束特征，研究团队分别设计了基于电子束色散、角色散以及角度调制和色散的方案。结果表明，该方案能够有效的将电子束的流强提升至数十千安甚至百千安量级。这种超高流强的电子束通过长度仅一米的波荡器即可产生百兆瓦量级的强相干辐射。整个加速段与辐射段的尺寸可压缩至3.5米以内，为更加紧凑型的X射线自由电子激光的研制提供了可行的方案。

相关工作得到了国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队、中国科学院青促会等项目的支持。

图1. 基于相位融合效应的电子束预聚束与台式化自由电子激光方案。（a）束流线以及电子束参数演化。（b−c）电子束纵向相空间分布。（d−e）辐射段入口处电子束参数及聚束因子。

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