發(fā)展小型化、低成本激光粒子加速器一直是科學(xué)家們夢寐以求的目標(biāo)。超強(qiáng)超短激光驅(qū)動的尾波場電子加速器具有比傳統(tǒng)的射頻加速器高出三個量級以上的超高加速梯度，為實(shí)現(xiàn)小型化的高能粒子加速器等提供了全新技術(shù)途徑，也將對未來的同步輻射裝置、自由電子激光以及高能物理研究等帶來深遠(yuǎn)的影響。近十年來，激光尾波場電子加速研究已經(jīng)取得許多重要進(jìn)展，但是在產(chǎn)生高品質(zhì)電子束方面還面臨諸多難題和挑戰(zhàn)，例如能散度壓縮與穩(wěn)定性提高等，使其在應(yīng)用方面的研究受到限制。

近年來，中科院上海光機(jī)所該研究團(tuán)隊在激光尾波場電子加速方向開展了獨(dú)具特色的研究，國際上**成功實(shí)現(xiàn)級聯(lián)雙尾波場準(zhǔn)單能高能電子加速方案，實(shí)驗獲得了GeV級準(zhǔn)單能電子束等重要研究成果（Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011)；Appl. Phys. Lett. 103, 243501(2013)）。在本項研究中，研究人員又**地設(shè)計了級聯(lián)尾波場加速新方案，通過在兩段級聯(lián)的等離子體之間引入一段高密度等離子體，控制電子束的穩(wěn)相加速及能量啁啾反轉(zhuǎn)和能散度壓縮，克服了單級尾波場加速方案中能散度無法獨(dú)立控制的技術(shù)瓶頸，實(shí)驗獲得了高品質(zhì)（200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流強(qiáng)1-8 kA、發(fā)散角～0.2 rms mrad）的高能電子束。電子束各項重要性能指標(biāo)的**提升，使得電子束*高的六維相空間亮度達(dá)到6.5×10¹⁵A/m²/0.1%，遠(yuǎn)高于目前國際上報道的同類研究結(jié)果，也是激光電子加速在國際上**接近*先進(jìn)的直線加速器所能獲得的電子束亮度。三維粒子模擬也揭示，該級聯(lián)加速新方案能夠有效抑制電子的二次注入，實(shí)現(xiàn)電子束的穩(wěn)相加速，并通過控制電子束的能量啁啾和壓縮能散度獲得低能散度、低發(fā)散角及高流強(qiáng)的高亮度高品質(zhì)電子束。

評審專家對該研究結(jié)果給予了高度評價：“該亮度是迄今激光尾波場加速器實(shí)現(xiàn)的*高紀(jì)錄”；“相比于以前的方案，該方案通過高密度區(qū)，恰當(dāng)?shù)夭倏亓俗宰⑷腚娮邮淖⑷胛幌?..并且電子束的能量啁啾在加速過程中能夠得到補(bǔ)償...是一個新的方案，在產(chǎn)生數(shù)百M(fèi)eV具有千分之**相對能散并高電荷量的高品質(zhì)、高亮度電子束方面取得了重大進(jìn)展...”；“利用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的密度分布產(chǎn)生了200-600 MeV的具有低能散度、低發(fā)散角的電子束...提出的新方法實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的電子束流品質(zhì)”。

利用該方案獲得的高亮度高能電子束應(yīng)用于逆康普頓散射伽馬射線源產(chǎn)生方面也獲得了突破。利用該電子束與超強(qiáng)超短激光對撞產(chǎn)生了超高亮度準(zhǔn)單色MeV量級伽馬射線源，其*高峰值亮度達(dá)3×10²² photons s^-1 mm^-2 mrad^-2 0.1%BW，與國際上報道的同類伽馬射線源亮度相比高出一個量級以上，比傳統(tǒng)伽馬射線源同能區(qū)的峰值亮度提高了10萬倍。相關(guān)研究結(jié)果近期已發(fā)表于Scientific Reports （6, 29518 (2016)）。

該項研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院等有關(guān)項目的支持。目前，該研究團(tuán)隊正在開展小型化全光自由電子激光裝置的研制工作。利用該級聯(lián)尾波場加速新方案成功產(chǎn)生的高亮度高能電子束，將會顯著促進(jìn)小型化自由電子激光等重要領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

圖(a) 實(shí)驗測量的（530-580 MeV）高品質(zhì)電子束能量和發(fā)散角分布；(b) 對應(yīng)于(a)的高品質(zhì)電子束能譜圖；(c) 電子束的六維相空間亮度B_{6D,n ，}可比擬于世界上*先進(jìn)的直線加速器。