近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室在基于激光尾波场加速电子束发射度诊断方面取得重要进展。研究团队提出了一种电子束横向切片发射度单发诊断方案。相关研究成果以“Measurement of electron beam transverse slice emittance using a focused beamline”为题发表在High Power Laser Science and Engineering上。
得益于激光尾波场的超高加速梯度，基于激光尾波场加速的电子束有望应用于超紧凑辐射源和台式化自由电子激光，这对电子束品质提出了更高的要求。研究中，一般用六维相空间亮度
表征电子束的综合品质，其中
和
分别表示电子束水平和垂直发射度。品质优化依赖于精确的诊断方案，而尾波场的不稳定性导致电子束发次间存在抖动，而微米量级尺寸的电子束以近光速运动，且由于尾波场的不稳定性，电子束发与发之间存在抖动，因此如何实现电子束横向发射度高分辨率的单发测量，对电子束发射度进一步优化具有重要意义。
针对上述问题，研究团队设计了一种适用于激光尾波场加速电子束横向切片发射度的单发诊断方案。电子在空泡中除了受到纵向加速场，也会受横向聚焦力而产生横向振荡，而振荡的频率是和能量相关的，这就使得不同能量的电子在振荡的过程中会产生横向相位差。通过相位补偿，不同能量的电子在横向相空间上保持同一相位，束团呈现出切片信息。基于相位补偿，结合具有能散的电子束团经过一条聚焦束线后，其横向尺寸与能量的耦合关系，可以计算出电子束横向切片发射度。该方案的测量精度可以达到10 nm量级，经过优化在实验上测得发射度为0．27 mm mrad。精确的诊断方案可以作为发射度进一步优化的依据，根据测得的发射度，可以设计匹配的束线保证电子束长距离传输，实现台式化自由电子激光更高品质辐射输出。
图1 电子束低能部分（a）和高能部分（b）横向相空间运动轨迹，相位补偿前（c）和相位补偿后（d）电子横向相空间分布
图2 实验测量结果和补偿的相位差