激光尾波场电子加速取得新进展：实验实现“剪式交叉”注入新机制

      激光尾波场加速（Laser Wakefield Acceleration, LWFA）凭借比传统加速器高出千倍以上的加速梯度，有望推动加速器朝着小型化、低成本的方向变革，在新型辐射源、医学成像、肿瘤放疗等领域潜力巨大。然而，电子束注入机制在很大程度上决定了最终电子束的能量、能散和稳定性。

       离化注入机制因其能够稳定地产生大电量电子束而被广泛应用，但气体持续离化导致的连续注入过程，使得离化注入机制得到的电子通常为连续宽谱，限制了其在高精度物理实验和紧凑型光源中的应用。如何在保持注入稳定性的同时，实现可控制截止的离化注入，一直是激光等离子体加速领域的重要挑战。

图1 剪式交叉离化注入的物理机制示意

       本工作中，研究团队实验验证了一种新型的剪式交叉离化注入方案，该理论方案于2022年由李大章研究员、曾明特聘研究员团队提出[3]。该方法通过引入一束触发激光，与驱动激光在等离子体中以约30°夹角交叉，使两束激光的叠加电场仅在极小的时空区域内超过原子内层电子的离化阈值，从而触发局域、瞬态的离化注入过程（图1）。

       与传统连续离化注入不同，该机制能够在注入窗口关闭后迅速终止离化电子和注入，使被捕获电子几乎在同一加速相位进入尾波场，有效抑制了能散展宽问题。该方案通过双激光时空同步实现，对实验实现具有良好的兼容性和可扩展性。

图2 剪式交叉离化注入条件下的电子能谱与统计结果

       在实验中，研究团队系统比较了不同气体类型及不同激光配置下的电子注入行为。结果表明，当采用氮气并开启触发激光时，剪式交叉离化注入能够稳定地产生准单能电子束（图2）。相比之下，传统的碰撞注入、自注入或单激光条件下，电子束普遍表现出能谱展宽大、稳定性差等问题。进一步的时间延迟扫描实验显示，通过精确调控两束激光的飞秒级时间延迟，可以灵活调节电子束的电荷量与能谱特性，充分体现了该注入机制的可控性。

图3 剪式交叉离化注入的PIC模拟结果

       为深入理解实验结果，研究团队开展了Particle-in-Cell数值模拟。模拟结果显示，电子主要来源于氮原子内层电子的离化注入，且注入区域高度局域化。由于注入长度在微米量级，电子在随后的加速过程中始终处于相近的加速相位，从而形成准单能能谱。模拟结果与实验观测高度一致，进一步验证了剪式交叉离化注入在抑制连续注入、提升电子束品质方面的独特优势（图3）。

       在此项计算机模拟工作过程中，研究团队提出了用预设电磁场时空分布模拟斜入射激光的模拟算法。目前准柱坐标的PIC模拟算法已经成为LWFA的主流模拟方法，其在保持与全三维模拟算法相同的准确性的前提下，将模拟效率提高了2到3个数量级。但是准柱坐标的PIC算法在碰到大大偏离柱对称的问题时会失效，比如此项工作中存在斜入射激光的情况。我们研究发现，在斜入射激光与主激光作用范围较小（10微米量级）的情况下，可在准柱坐标的PIC算法中用解析的电磁场分布代替斜入射激光，从而同时保持模拟的高效率和准确性。在这个新算法的帮助下，我们实现了对实验结果的高效率模拟复现。该粒子模拟方法发表在Phys. Rev. Accel. Beams 28, 021301 (2025)。

       该研究在实验中验证了剪式交叉离化注入机制的可行性与优势，成功解决了传统离化注入中连续注入导致能散展宽的关键问题。该方法通过局域电场叠加实现可控的局域注入，为获得高电荷、低能散、高重复性电子束提供了一种全新的技术路径。未来，该注入机制将在推动紧凑型激光粒子加速器AI智能化、光源优化及强场QED物理研究等方面发挥重要作用，并有望为高品质电子束在肿瘤细胞精准放疗方面的研究提供有力支撑。