近日，上海交通大学盛政明教授和陈民教授团队在美国《科学》杂志子刊[Science Advances 6, eaaz7240 (2020)]上以“Extremely brilliant GeV γ-rays from a two-stage laser-plasma accelerator”为题发表最新研究成果，提出了一种利用两级激光等离子体加速器产生极高亮度GeV伽马射线辐射的新方案。该研究方案有望将伽马射线峰值亮度推向自由电子激光亮度范畴、辐射光子能量拓展至GeV量级，由此为科学研究和应用带来新的机遇。
超亮伽马辐射源是科学技术领域中重要的研究工具，在基础科学、工业、医疗等领域都具有广泛的应用。目前，高亮度的辐射源主要是由大型同步辐射装置和X射线自由电子激光(XFEL)来产生，它们可以提供峰值亮度范围分别约为1019-24和1027-32 (photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW)。但是，所获得的光子能量范围一般只有keV至百keV，峰值功率大约只有GW量级。此外，这些大科学装置的高昂造价和超大规模限制了它们的建造数量和应用范围。
图1 基于两级激光等离子体加速器产生极高亮度GeV伽马射线的示意图。
(A)分级加速和辐射示意图；(B)三维粒子模拟显示的驱动激光、等离子体尾场、被加速电子束和伽马射线辐射的空间分布。
近年来，基于等离子体的激光尾波场加速器(LWFA)得到了迅速地发展，它可以产生比传统射频加速器高出三个数量级的超高加速场梯度，从而使GeV能量电子的加速长度可以缩短到厘米甚至毫米尺度，这使得台面型高能粒子加速器和超亮辐射源产生成为可能。目前，基于LWFA驱动产生的高能电子，通过其在尾波场中的Betatron运动或在外部电磁场中的Undulator辐射以及与强激光对撞通过Thomson/Compton散射，可以产生高亮度的X/γ射线脉冲。但是，所获得的辐射源光子能量一般限制在keV 至MeV范围内，峰值亮度约为1019-23 (photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW)，对应的驱动激光到辐射源的能量转化效率大约只有10-6量级。尽管研究人员付出了很多努力，并提出了大量的方案来增强基于LWFA的高能辐射源，但是如何显著地提高辐射源的光子能量、能量转化效率和峰值亮度仍然是一个巨大的挑战。
在这项研究工作中，研究团队通过大型三维粒子模拟研究，提出了一个全新的高效方案来产生这种超高亮度伽马射线脉冲，可同时获得高达GeV量级的超高光子能量和接近XFEL水平的极高峰值亮度。该方案是基于一束数拍瓦激光驱动的两级LWFA加速和辐射机制，如图1所示。在第一级中，利用高强度激光脉冲与一个相对低密度的等离子体作用，产生数GeV能量、几十nC电量的稠密电子束，其能量转换效率可高达~40%；随后，该高能稠密电子束随驱动激光脉冲共同进入一个更高密度的第二级等离子体中。这将触发更多的电子被注入到尾场，激发更高强度的准静态电磁场，从而使得辐射过程从通常激光尾场加速中的经典Betatron辐射机制向以量子电动力学（QED）效应为主的量子辐射机制转换，辐射光子的能量可达GeV量级，产生准直的超亮伽马射线辐射，峰值亮度可高达1027 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW，能量转换效率高达10%以上。利用该辐射机制获得的光子数目、能量转化效率、峰值亮度和辐射功率可以比现有的LWFA辐射源高出3-4个数量级。如此高强度的伽马射线源具有独特的能力，有望为广泛的前沿科学研究和应用提供一个极具潜力的新手段。目前国内外多个研究机构，如欧盟ELI、中国科学院上海光机所、中国工程物理研究院等单位已经建成或者正在建设数拍瓦的超高功率激光系统，这为不久的将来在实验上验证该方案提供了可能。
论文第一作者是上海交通大学博士生朱兴龙，通讯作者为陈民教授和盛政明教授，合作者包括国防科技大学余同普教授、中国人民大学王伟民教授、上海交通大学翁苏明研究员、何峰教授、张杰院士等人。该项工作得到了国家自然科学基金委创新群体和重大项目、中物院挑战计划专题、中科院先导专项等项目的支持。
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