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超强激光科学卓越创新简报

(第七百七十六期)

2026年5月22日

上海光机所在紧聚焦激光尾波加速与Betatron辐射激光脉宽效应研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队在紧聚焦激光尾波加速及Betatron辐射的激光脉冲宽度效应研究方面取得进展。研究团队通过系统的准三维粒子模拟，系统扫描了飞秒至数十飞秒范围内的激光脉冲宽度，揭示了不同脉宽区间内的电子加速与X射线辐射的物理机制转换规律，提出了兼顾高能电子产额与Betatron辐射效率的优化脉宽窗口。相关成果以“Pulse-duration dependence of electron acceleration and betatron radiation in tightly focused laser wakefield acceleration”为题，发表于Optics Express。

激光尾波加速（LWFA）是当前实现紧凑型高梯度加速器和超快X射线源的重要途径。紧聚焦、高强度激光可在等离子体中激发强非线性气泡结构，实现高电荷电子束注入并产生Betatron辐射。然而，激光脉冲宽度作为关键控制参数，其对电子加速与辐射之间的复杂耦合机制尚缺乏系统理解，尤其在高功率紧聚焦条件下。

针对上述问题，研究团队采用准三维PIC模型，在约100 TW和1 PW两个典型功率水平下，系统扫描了8–50 fs范围内的激光脉冲宽度，系统评估了电子加速效率（激光-电子能量转换效率）与Betatron辐射性能（光子产额、临界能量、辐射发散角、能量转换效率等）。研究发现，脉冲宽度可显著调控LWFA过程，并划分为三种典型作用区间：

图1. 100TW激光功率下产生的X射线辐射角分布和谱分布。

短脉冲区间（~10 fs）：激发高梯度尾场，支持多空泡多束团注入，电子加速效率高（~60%），但尾场过早塌缩，辐射较弱；

中等脉宽区间（20–40 fs）：直接激光加速（DLA）贡献增强，电子加速效率达70%，激光到X射线能量转换效率达0.4%，辐射光子产额与临界能量显著提升，为综合性能最优区间；

长脉冲区间（≥50 fs）：尾场横向调制加剧，出现横向多泡结构，加速与辐射性能明显下降。

图2. 1PW激光功率下，（a）激光到电子和光子的转换效率，（b）辐射发散角，（c）光子产额和（d）临界能量和辐射总能量随激光脉宽的演化。

在1 PW级紧聚焦条件下，最优脉宽区间（20–40 fs）可产生电荷量高于40 nC、能量高于1 GeV的电子束，Betatron辐射总光子数达4×10¹²，总辐射能量约180 mJ，临界能量达1 MeV。固定激光能量（~10 J）扫描进一步验证了该优化脉宽区间的稳健性。上述结果为紧聚焦LWFA及高亮度Betatron辐射源的脉宽选择提供了定量指导，实现了高能电子束与强辐射产额之间的有效平衡。

该成果为理解激光脉宽在强场尾波加速中的关键调控作用提供了系统的物理图像，也为未来高通量超快X射线源、相衬成像、无损检测及高重频强场物理应用提供了重要参考。

相关工作得到得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、中国科学院青年基础研究项目、中国科学院青年创新促进会、及新基石科学基金会（探索奖）等基金支持。

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