面向激光等离子体尾波加速的毛细管放电实验研究

祝昕哲; 李博原; 刘峰; 李建龙; 毕择武; 鲁林; 远晓辉; 闫文超; 陈民; 陈黎明; 盛政明; 张杰

doi:10.7498/aps.71.20212435

面向激光等离子体尾波加速的毛细管放电实验研究

1.
上海交通大学物理与天文学院, 激光等离子体教育部重点实验室, 上海　200240
2.
上海交通大学IFSA协同创新中心, 上海　200240
3.
上海交通大学李政道研究所, 上海　200240

通讯作者: E-mail: minchen@sjtu.edu.cn;

中图分类号: 52.38.-r, 52.38.Kd, 52.40.Fd

Experimental study on capillary discharge for laser plasma wake acceleration

1.
Key Laboratory for Laser Plasmas (MOE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2.
Collaborative Innovation Center of IFSA (CICIFSA), Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
3.
Tsung-Dao Li Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Corresponding author: E-mail: minchen@sjtu.edu.cn;

MSC: 52.38.-r, 52.38.Kd, 52.40.Fd

摘要: 具有合适径向密度分布的等离子体通道可以用于超短超强激光导引, 这使得等离子体通道在激光尾波加速中有着重要的应用. 本文介绍了在上海交通大学激光等离子体实验室开展的毛细管放电和光导引实验. 通过光谱展宽法测量了充氦气的放电毛细管中的等离子体密度分布, 在长度为3 cm、内径为300 μm的毛细管中实现了轴向均匀, 径向呈抛物线型的等离子体密度分布. 通过改变放电延时和喷气时长, 确定和优化了产生等离子体通道的参数区间, 得到的最大通道深度为28 μm, 与实验中使用的激光焦斑半径匹配. 在此基础之上, 开展了不同能量的激光脉冲在放电等离子体通道中的导引研究, 结果发现当通道深度与焦斑半径匹配时, 激光可以不散焦地在通道中传输, 实现激光导引. 这项研究为未来的激光尾波级联加速和锁相加速等研究奠定了基础.
- 激光等离子体相互作用 /
- 激光等离子体尾波加速 /
- 等离子体波导
Abstract: Preformed plasma channels play important roles in many applications, such as laser wakefield acceleration, plasma lens, and so on. Laser pulses can be well guided when the radial density distribution of the plasma channel has a parabolic profile and it is matched with the laser focus. Discharging a gas-filled capillary is a possible way to form such plasma channels. In this work, we report the capillary discharging and laser guiding experiments performed in the Laboratory for Laser Plasmas at Shanghai Jiao Tong University. The plasma density distributions in the Helium-filled discharged capillary are measured by using the spectral broadening method. In a capillary with a length of 3 cm and a diameter of 300 μm, the plasma density profile is observed to be uniformly distributed along the axial direction and have a parabolic profile along the radial direction. Parameters for plasma channel generation are scanned. The deepest channel depth obtained is 28 μm, which is close to the focal spot radius of the laser used in the experiment. Laser guidance in the plasma channel is also studied. The results show that the laser can maintain its focus and continuously propagate when the channel depth matches the focal spot, indicating that the well guiding of the laser pulse by the preformed plasma channel is obtained. These studies may serve as the ground work for the future studies, such as staged laser wakefield acceleration and phase-locked wakefield acceleration.
- laser plasma interaction /
- laser plasma wakefield acceleration /
- plasma-filled waveguides .
图 1 上海交通大学激光等离子体实验室用于激光尾波加速的放电毛细管装置

Figure 1. Discharged capillary for laser wakefield accelerator at the Laboratory for Laser Plasmas, SJTU.

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图 2 毛细管的放电电路和电流　(a) 毛细管放电电路图; (b) 典型的放电电流

Figure 2. Capillary discharge circuit and current: (a) Discharge circuit; (b) typical discharge current.

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图 3 使用Stark展宽标定He放电等离子体的密度　(a) 氦等离子体的谱线; (b) 谱线在587.6 nm附近的展宽; (c) 在放电电压10 kV, 背压15 psi (1 psi = 6.89476 × 10³ Pa)时测量到的等离子体密度

Figure 3. Measuring the density of Helium plasma with Stark broadening: (a) Spectra of Helium plasma; (b) spectra broadening at 587.6 nm; (c) plasma density at 10 kV and 15 psi backpressure.

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图 4 在放电电压10 kV, 充气背压5 psi 下毛细管的轴向放电光谱和密度　(a)探测器示意图; (b)轴向放电光谱; (c)轴向等离子体密度

Figure 4. On-axis discharge spectrum and density distribution of the capillary at 10 kV and 5 psi: (a) Schematic of the detector; (b) the axial spectra along the capillary; (c) the axial plasma density.

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图 5 在15 kV下毛细管放电时的端面光谱和径向等离子体密度分布　(a) 500 μm 毛细管的径向光谱; (b) 300 μm 毛细管的径向光谱; (c) 500 μm毛细管的径向密度分布; (d) 300 μm毛细管的径向密度分布

Figure 5. End-face spectra detected during the discharge and the radial plasma density distribution at 15 kV: (a) Spectra of 500 μm capillary; (b) spectra of 300 μm capillary; (c) radial density distribution of 500 μm capillary; (d) radial density distribution of 300 μm capillary.

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图 6 300 μm口径毛细管的通道半径和中轴线密度随放电时间和背压的演化　(a) $ {r}_{0} $和$ {n}_{0} $随时间的演化; (b) $ {r}_{0} $和$ {n}_{0} $随背压的演化

Figure 6. Evolutions of the channel radius and the on-axis density in the capillary with 300 μm inner diameter: (a) $ {r}_{0} $ and $ {n}_{0} $ evolution with time; (b) $ {r}_{0} $ and $ {n}_{0} $ evolution with backpressure.

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图 7 毛细管的光导引实验装置示意图

Figure 7. Schematic of laser guiding by discharged capillary experiment.

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图 8 放电毛细管导引小能量激光　(a) 毛细管前的激光焦斑; (b) 正中心入射穿过通道的激光光斑; (c) 偏轴10 μm 入射穿过通道的激光光斑; (d) 偏轴20 μm 入射穿过通道的激光光斑

Figure 8. Small energy laser guiding by discharged capillary: (a) Laser spot before capillary; (b) laser spot after capillary for on-axis incidence; (c) laser spot after capillary for 10 μm off-axis incidence; (d) laser spot after capillary for 20 μm off-axis incidence.

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图 9 经过毛细管导引后的大能量(3 J)激光光斑

Figure 9. Spot of capillary guided laser with energy of 3 J.

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[1]	Tajima T, Dawson J M 1979 Phys. Rev. Lett. 43 267 doi: 10.1103/PhysRevLett.43.267
[2]	Esarey E, Schroeder C B, Leemans W P 2009 Rev. Mod. Phys. 81 1229 doi: 10.1103/RevModPhys.81.1229
[3]	Chen M, Liu F, Li B Y, Weng S M, Chen L M, Sheng Z M, Zhang J 2020 High Power Laser and Particle Beams 32 092001 doi: 10.11884/HPLPB202032.200174
[4]	Steinke S, van Tilborg J, Benedetti C, Geddes C G R, Schroeder C B, Daniels J, Swanson K K, Gonsalves A J, Nakamura K, Matlis N H, Shaw B H, Esarey E, Leemans W P 2016 Nature 530 190 doi: 10.1038/nature16525
[5]	Luo J, Chen M, Wu W Y, Weng S M, Sheng Z G, Schroeder C B, Jaroszynski D A, Esarey E, Leemans W P, Mori W B, Zhang J 2018 Phys. Rev. Lett. 120 154801 doi: 10.1103/PhysRevLett.120.154801
[6]	Rittershofer W, Schroeder C B, Esarey E, Gruner F J, Leemans W P 2010 Phys. Plasmas 17 063104 doi: 10.1063/1.3430638
[7]	Li W T, Liu J S, Wang W T, Zhang Z J, Chen Q, Tian Y, Qi R, Yu C H, Wang C, Tajima T, Li R X, Xu Z Z 2014 Appl. Phys. Lett. 104 093510 doi: 10.1063/1.4867536
[8]	Sadler J D, Arran C, Li H, Flippo K A 2020 Phys. Rev. Accel. Beams 23 021303 doi: 10.1103/PhysRevAccelBeams.23.021303
[9]	Palastro J P, Shaw J L, Franke P, Ramsey D, Simpson T T, Froula D H 2020 Phys. Rev. Lett. 124 134802 doi: 10.1103/PhysRevLett.124.134802
[10]	Palastro J P, Malaca B, Vieira J, Ramsey D, Simpson T T, Franke P, Shaw J L, Froula D H 2021 Phys. Plasmas 28 013109 doi: 10.1063/5.0036627
[11]	Steinhauer L C, Ahlstrom H G 1971 Phys. Fluids 14 1109 doi: 10.1063/1.1693572
[12]	Sprangle P, Esarey E, Krall J, Joyce G 1992 Phys. Rev. Lett. 69 2200 doi: 10.1103/PhysRevLett.69.2200
[13]	Zigler A, Ehrlich Y, Cohen C, Krall J, Sprangle P 1996 J. Opt. Soc. Am. B 13 68 doi: 10.1364/JOSAB.13.000068
[14]	Hooker S M, Spence D J, Smith R A 2000 J. Opt. Soc. Am. B 17 90 doi: 10.1364/JOSAB.17.000090
[15]	Gonsalves A J, Rowlands-Rees T P, Broks B H P, van der Mullen J J A M, Hooker S M 2007 Phys. Rev. Lett. 98 025002 doi: 10.1103/PhysRevLett.98.025002
[16]	Esarey E, Sprangle P, Krall J, Ting A, Joyce G 1993 Phys. Fluids B:Plasma Physics 5 2690 doi: 10.1063/1.860707
[17]	Nakamurac K, Naglerd B, Tóth Cs, Geddes C G R, Schroeder C B, Gonsalvesf A J, Hooker S M, Esarey E, Leemanse W P 2007 Phys. Plasmas 14 056708 doi: 10.1063/1.2718524
[18]	Gonsalves A J, Nakamura K, Daniels J, Benedetti C, Pieronek C, de Raadt T C H, Steinke S, Bin J H, Bulanov S S, van Tilborg J, Geddes C G R, Schroeder C B, Tóth Cs, Esarey E, Swanson K, Fan-Chiang L, Bagdasarov G, Bobrova N, Gasilov V, Korn G, Sasorov P, Leemans W P 2019 Phys. Rev. Lett. 122 084801 doi: 10.1103/PhysRevLett.122.084801
[19]	Miao B, Feder L, Shrock J E, Goffin A, Milchberg H M 2020 Phys. Rev. Lett. 125 074801 doi: 10.1103/PhysRevLett.125.074801
[20]	Ta Phuoc K, Corde S, Shah R, Albert F, Fitour R, Rousseau J P, Burgy F, Mercier B, Rousse A 2006 Phys. Rev. Lett. 97 225002 doi: 10.1103/PhysRevLett.97.225002
[21]	Katsouleas S W T, Su J D J 1987 Part. Accel 22 81
[22]	Schroeder C B, Benedetti C, Esarey E, Leemans W P 2013 Phys. Plasmas 20 123115 doi: 10.1063/1.4849456
[23]	Lu W, Tzoufras M, Joshi C, Tsung F S, Mori W B, Vieira J, Fonseca R A, Silva L O 2007 Phys. Rev. Spec. Top. -Ac 10 061301
[24]	Esarey E, Krall J, Sprangle P 1994 Phys. Rev. Lett. 72 2887 doi: 10.1103/PhysRevLett.72.2887
[25]	Hosokai T, Kando M, Dewa H, Kotaki H, Kondo S 2000 Optics Lett. 25 10 doi: 10.1364/OL.25.000010
[26]	Ehrlich Y, Cohen C, Kaganovich D, Zigler A, Hubbard R F, Sprangle P, Esarey E 1998 J. Opt. Soc. Am. B 15 2416 doi: 10.1364/JOSAB.15.002416
[27]	Mangles S P D, Murphy C D, Najmudin Z, Thomas A G R, Collier J L, Dangor A E, Divall E J, Foster P S, Gallacher J G, Hooker C J, Jaroszynski D A, Langley A J, Mori W B, Norreys P A, Tsung F S, Viskup R, Walton B R, Krushelnick K 2004 Nature 431 7008
[28]	Gaul E W, Le Blanc S P, Rundquist A R, Zgadzaj R, Langhoff H, Downer M C 2000 Appl. Phys. Lett. 77 4112 doi: 10.1063/1.1329323
[29]	Griem H R, Baranger M, Kolb A C, Oertel G 1962 Phys. Rev. 125 177 doi: 10.1103/PhysRev.125.177
[30]	Nikiforov A Y, Leys C, Gonzalez M A, Walsh J L 2015 Plasma Sources Sci. Technol. 24 034001 doi: 10.1088/0963-0252/24/3/034001
[31]	Hiromitsu T, Nadezhda B, Pavel S, Takashi K, Toru S, Takeshi H, Noboru Y, Ryosuke K 2011 J. Appl. Phys. 109 053304 doi: 10.1063/1.3560529
[32]	Guillaume E, Döpp A, Thaury C, Ta Phuoc K, Lifschitz A, Grittani G, Goddet J P, Tafzi A, Chou S W, Veisz L, Malka V 2015 Phys. Rev. Lett. 115 155002 doi: 10.1103/PhysRevLett.115.155002
[33]	Zhu X Z, Chen M, Li B Y, Liu F, Ge X L, Sheng Z M, Zhang J 2022 Phys. Plasmas 29 013101 doi: 10.1063/5.0042090
[34]	Wang W T, Feng K, Ke L T, Yu C H, Xu Y, Qi R, Chen Y, Qin Z Y, Zhang Z J, Fang M, Liu J Q, Jiang K N, Wang H, Wang C, Yang X J, Wu F X, Leng Y X, Liu J S, Li R X, Xu Z Z 2021 Nature 595 516 doi: 10.1038/s41586-021-03678-x

图( 9)

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2. 放电毛细管导引激光的原理

在激光尾波加速中使用的超短超强激光的脉宽通常只有数十飞秒, 同时为了获得足够高的光强以及与等离子体波长相匹配的焦斑条件^[23], 激光会被聚焦到半径为数十微米的焦斑. 根据瑞利长度公式$ {Z}_{\mathrm{R}}=\mathrm{\pi }{w}_{0}^{2}/{\lambda }_{0} $, 这种激光对应的瑞利长度$ {z}_{\mathrm{R}} $通常只有毫米量级, 这里$ {w}_{0} $表示高斯激光的束腰半径, $ {\lambda }_{0} $表示激光的中心波长. 以上海交通大学200 TW激光装置为例, 所用的波长为0.8 μm, 最短脉宽为30 fs, 聚焦后束腰半径为33 μm的高斯光束, 其瑞利长度为4.3 mm. 如果没有很好的导引机制, 激光在传输数毫米后就会快速发散, 峰值光强显著下降, 无法继续在等离子体中激发尾波场而持续加速电子.

通过调整高斯激光传输路径中等离子体的径向密度分布, 可以使不同径向位置的等离子体折射率不同. 当这一折射率分布在靠近光传播轴线附近低而远离轴线处高时, 等离子体通道对激光起到类似凸透镜的聚焦效果, 形成等离子体通道, 可以将高斯激光约束在其中不发散地长距离传输^[24].

假设等离子体径向位置$ r $处的密度为$ n\left(r\right) $, 则等离子体的折射率$ {\eta }_{\mathrm{r}} $可以被表示为

式中, $ {\omega }_{\mathrm{p}} $和$ {n}_{0} $是等离子体频率和等离子体在中轴线上的密度, $ {\omega }_{0} $是激光的中心频率, $ \gamma \left(r\right) $是径向$ r $位置的电子相对论因子. (1)式表示有2种手段可以控制等离子体径向的折射率. 一种是通过等离子体的径向密度分布$ n\left(r\right) $控制$ {\eta }_{\mathrm{r}} $, 称为预等离子体通道光导引; 另一种是通过激光的径向光强分布改变$ \gamma \left(r\right) $控制$ {\eta }_{\mathrm{r}} $, 称为相对论自聚焦光导引. 相对论自聚焦光导引对等离子体频率$ {\omega }_{\mathrm{p}} $有较强依赖, 形成折射率自调制的时间尺度与等离子体波的频率相关, 而非激光频率, 这种方法对脉冲长度$L\leqslant {\lambda }_{\mathrm{p}}$的超短脉冲激光的导引效率不高^[2](其中$ {\lambda }_{\mathrm{p}} $代表等离子体波长). 因此针对尾波加速常用的飞秒激光, 使用预等离子体通道来导引激光是更有效的方案.

产生预等离子体通道的一种方法是在充气毛细管中高压放电, 通过热膨胀实现径向密度调制. 只有在毛细管内部折射率与激光散焦效应相平衡的条件下, 激光才会在等离子体中被良好地导引, 这要求毛细管中的等离子体沿径向具有如 (2)式的抛物线型分布:

式中, $ {r}_{0} $为毛细管的通道半径, ${\Delta }{n}_{\mathrm{c}}(\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}) = 1.13\times $$ {10}^{20}/{r}_{0}^{2}~ (\text{μm})$为临界通道深度. 当激光束腰半径$ {w}_{0} $与$ {r}_{0} $相等时激光与通道完美匹配, 这时理论上激光在等离子体中传播将保持焦斑大小恒定, 这种状态被称为完全匹配的等离子体通道导引. 在通常情况下, 如通道深度和半径偏离理想值时, 激光束的焦斑大小将呈现周期性的振荡. 为了使毛细管中的等离子体产生这种特殊的抛物线型径向密度分布, 人们已经发展出了多种控制方式, 如高压放电^[25,26]、光电离^[27,28]等.

本文将介绍在充氦气毛细管中放电以形成等离子体通道的方法. 通过在充气毛细管两端加脉冲高电压来击穿气体, 被击穿的气体形成等离子体, 瞬时强电流对毛细管内的等离子体进行欧姆加热, 通过热膨胀效应产生径向抛物线型的等离子体密度分布.

6. 结　论

等离子体通道在解决激光尾波加速中的光导引、多级加速和电子锁相加速等方面具有重要的应用. 本文研究了在充氦气毛细管中放电的等离子体通道的密度分布特性, 以及对激光的导引效果. 通过使用自制的多通道光纤探头, 以及光谱展宽反演测量了放电毛细管内等离子体的轴向和径向密度分布, 研究了不同放电延时、充气背压和毛细管口径对等离子体的密度分布的影响, 并给出在实验中形成深通道的参数区间, 测得最深通道半径达28 μm. 开展了等离子体通道中光导引实验, 发现在深通道区间等离子体可以有效地导引激光, 激光偏轴入射的结果验证激光被通道导引而被非自聚焦导引. 这些研究为未来实现激光尾波锁相加速^[32]、接力加速^[33]和弯曲毛细管的级联加速, 以及构建台面型辐射源^[34]奠定了坚实基础.

感谢上海师范大学刘建胜老师和秦志勇老师在放电毛细管研制方面的帮助.

参考文献 (34)

面向激光等离子体尾波加速的毛细管放电实验研究

通讯作者: E-mail: minchen@sjtu.edu.cn;

Experimental study on capillary discharge for laser plasma wake acceleration

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计量

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通讯作者: E-mail: minchen@sjtu.edu.cn;

English Abstract

Experimental study on capillary discharge for laser plasma wake acceleration

Corresponding author: E-mail: minchen@sjtu.edu.cn;

全文HTML

4.1. 毛细管内部的等离子体密度分布

4.2. 毛细管端面的等离子体密度分布

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4.1. 毛细管内部的等离子体密度分布

4.2. 毛细管端面的等离子体密度分布

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