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激光等離子體相互作用中存在著許多優美的結構和豐富的波波、波粒相互作用，這其中由超短、超強激光脈沖在氣體密度等離子體中激發的等離子體尾波及其對帶電粒子的加速，由于有著極重要的應用前景，在世界范圍內受到了廣泛關注和研究。激光尾波不僅具有強大的縱向和橫向電場，可以在20厘米尺度內將電子從靜止加速到7.8GeV能量（78億電子伏特，見2018-AAC會議，美國LBNL國家實驗室Wim Leemans 組最新實驗報道結果），還可以產生短至幾十阿秒（10-18s）的電磁脈沖，尾波間的相互作用更是研究非線性波物理的一個絕好平臺。這為新型加速器物理、阿秒物理及非線性物理研究提供了新的機遇。長久以來如何獲得高質量、穩定且可調諧的電子束，是制約尾波加速走向大規模應用的一個瓶頸；而如何探測這些小至幾十微米（10-6米）且以近光速運動的非線性波結構，又是高效控制加速品質的前提；同時，尾波-尾波間的相互作用及其對帶電粒子加速的影響是一個意義重大，卻尚未被廣泛觸及的難題。

最近上海交通大學（SJTU）物理與天文學院，激光等離子體教育部重點實驗室陳民教授，及博士生羅輯，與美國內布拉斯加林肯大學（UNL）Donald Umstadter教授，及博士后Grigory Golovin和閆文超等人合作，首次在相對論等離子體波-波碰撞注入及尾波結構探測方面取得了新的進展。實驗及數據分析工作在林肯大學開展，模擬和理論分析工作在上海交通大學開展。實驗中，他們利用兩束脈寬為35fs，聚焦強度分別達到4.1X1018W/cm2（驅動光脈沖）和1.7X1020W/cm2（注入光脈沖），以155度夾角入射的激光脈沖與電子密度為1019/cm3的等離子體相互作用，通過對兩束光在大范圍（-850fs~950fs，跨度超過50個等離子體波周期）內的延遲調控，研究了驅動激光尾波加速電子束的電量和能量與脈沖延遲間的關系, 首次觀察到了由于等離子體尾波-尾波相互作用導致的電子注入新機制，并確認了等離子體尾波的存活時間；他們又通過對兩束光在小范圍內高精度延遲調節（最小調節步長6fs，小于等離子體波的時間周期35fs），研究了注入電量和最終加速能量與脈沖延遲的關系，首次用該方法測量了等離子體尾波的周期，與理論計算值一致。理論上，通過大規模的數值模擬和分析研究，上海交大團隊在數以億計的軌跡中找到了數類特征電子注入軌跡（見圖1），再現了波波碰撞電子注入的不同途徑，發現這是一個與以往雙束光對撞注入機制不同的又一新機制：與通常注入過程中電子運動主要受到激光作用不同，最新的研究發現在大延遲或大注入光強下，注入或驅動激光激發的尾波都會對電子運動產生顯著影響，造成電子軌跡擾動，實現波波碰撞注入；同時，模擬也再現了注入電量隨雙束光延遲變化的非對稱依賴性（見圖2a），由此獲得了尾波存活的有效時間。以上理論和數值模擬研究，為實驗觀測提供了清晰合理的微觀解釋，使人們對尾波加速和演化的認識進入更大的時空尺度。

同時，該研究不僅為尾波加速提供了一種新的電子注入機制，為尾波探測提供了新的方法，也為相對論非線性波間的相互作用研究提供了新的平臺，將來有望應用于實驗室天體物理、聚變物理等高能量密度物理研究中。

這個工作近期發表在物理評論快報（PRL，121，104801 （2018））上。這是激光等離子體教育部重點實驗室與合作者自2013年以來，繼基于激光尾波的阿秒電子層產生和輻射（PRL, 110, 135002（2013））；高品質激光尾波電子離化注入方案（PRL, 112, 125001 (2014); PRL, 114, 084801 (2015)）；基于等離子體波蕩器的可控激光尾波輻射（Light: Science & Applications, 5, e16015 (2016)）；基于激光尾波加速的全光高階非線性湯姆遜散射（Nature Photonics, 11, 514 (2017)）；基于彎曲等離子體通道的新型級聯加速方案（PRL, 120, 154801（2018））系列研究之后，在激光尾波加速及其應用領域的又一重要進展。

該研究獲得了國家973A類項目（2013CBA01504），青年973項目（2015CB859700）國家自然科學基金創新群體項目（11721091）和面上項目（11774227），以及美國能源部等項目的支持。大規模數值模擬研究在上海交通大學P超級計算機上完成。