近日，我校數(shù)理學(xué)院劉建勝課題組報(bào)道了飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)尾波場(chǎng)加速產(chǎn)生超低能散度、高亮度新型粒子束源的最新研究進(jìn)展。研究人員提出了一種利用飛秒激光驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)線(xiàn)性尾波場(chǎng)粒子加速產(chǎn)生萬(wàn)分級(jí)超低能散度高亮度高能粒子束源的新方案，通過(guò)設(shè)計(jì)階梯型密度調(diào)制的等離子體對(duì)粒子束進(jìn)行周期性的能量啁啾調(diào)控和準(zhǔn)穩(wěn)相加速，成功突破千分級(jí)能散度的重要壁壘，實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)分級(jí)超低能散度的新型高能粒子加速。該研究成果近期以“Sub-per-mille bunch energy spread in a quasi-linear laser-wakefield accelerator via periodical de-chirpings”為題，于2025年4月6日在線(xiàn)發(fā)表于Nature旗下期刊Communications Physics (中科院和JCR分區(qū)均為1區(qū))。上海師范大學(xué)為唯一署名單位，數(shù)理學(xué)院余昌海副研究員和秦志勇副研究員為論文共同第一作者，余昌海副研究員和劉建勝研究員為論文通訊作者。

飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的尾波場(chǎng)粒子加速為人們提供了一種全新的小型化電子加速新途徑，因其具有超高加速梯度、脈沖時(shí)間短以及與激光天然的高精度同步性能而備受青睞，為發(fā)展新一代粒子加速技術(shù)、新型超快輻射源及其前沿應(yīng)用研究提供了新機(jī)遇和新方案。飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的新型輻射及粒子束源，能量覆蓋范圍寬，時(shí)間寬度極短，在高能物理、材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)及超快化學(xué)分子動(dòng)力學(xué)等前沿交叉科學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)近20年的快速發(fā)展，激光尾波場(chǎng)粒子加速在粒子束源的高能量增益和性能參數(shù)上均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，正面臨從激光加速到加速器的跨越。一方面，激光尾波場(chǎng)加速的電子束能量不斷提高，正在向10 GeV邁進(jìn)；另一方面，激光尾波場(chǎng)加速的電子束性能，如電子束的能散度、發(fā)射度、穩(wěn)定性等，也在不斷改善。但仍有很多關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)需要進(jìn)一步深入地探索和解決，特別是等離子體加速器如何突破千分之一能散度這方面仍極具挑戰(zhàn)。

飛秒強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)線(xiàn)性尾波場(chǎng)加速產(chǎn)生超低能散度高亮度高能粒子束源示意圖

為進(jìn)一步突破千分級(jí)能散度的重要壁壘，劉建勝教授研究團(tuán)隊(duì)基于前期在激光尾波場(chǎng)高品質(zhì)電子加速及其應(yīng)用方面已取得的一系列重要原創(chuàng)成果的基礎(chǔ)上（Phys.Rev. Lett., 117,124801 (2016)；Phys. Rev. Lett., 126, 214801 (2021)；Nature, 595, 516 (2021)；Matter Radia. Extremes, 9, 035201 (2024)等），進(jìn)一步提出了一種飛秒激光驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)線(xiàn)性尾波場(chǎng)粒子加速，并周期性的能量啁啾調(diào)控和準(zhǔn)穩(wěn)相加速的新方案，為產(chǎn)生萬(wàn)分級(jí)能散度高亮度高能粒子加速提供了一種全新途徑，將進(jìn)一步促進(jìn)激光尾波場(chǎng)粒子加速在前沿交叉科學(xué)中的應(yīng)用。

準(zhǔn)線(xiàn)性激光尾波場(chǎng)中周期性的能量啁啾調(diào)控、準(zhǔn)穩(wěn)相加速及電子束能譜示意圖

該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市教委科創(chuàng)重大項(xiàng)目的資助。

（供稿、圖片：數(shù)理學(xué)院）

論文鏈接網(wǎng)址：https://www.nature.com/articles/s42005-025-02057-6