激光尾场加速(LWFA) 由 T. Tajima 和 J. Dawson 发明，利用高强度激光脉冲的功率来驱动等离子体波，其加速度梯度比传统的基于射频的加速器高出几个数量级。将激光脉冲视为子弹，质动力会在等离子体中感应出周期性波，类似于射频腔。被困在这种波中的电子可以在短短厘米内达到 GeV 的能量(1 GeV = 10 9 eV)——比传统加速器短一千倍。 LWFA 电子束的飞秒持续时间为超快研究提供了前所未有的机会。在过去的二十年中，LWFA 在最大能量、能量扩散、电荷和重复率方面取得了显着的进步。
凭借其高加速梯度和产生高亮度电子束的能力，LWFA 在高能物理、X 射线泵浦探针研究和时间分辨剂量测定中具有巨大的应用潜力。三维 (3D) 密度是分别影响对撞机光度、二次 X 射线源亮度和辐射峰值剂量率的关键参数。特别是，桌面 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 与波荡器中的激光过程有着复杂的联系。然而，到目前为止，由于缺乏诊断方法，实验测量仍然难以实现。虽然横向或相对纵向分布已单独研究，但绝对 3D 密度分布尚未完全表征。
在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由日本关西光子科学研究所 (KPSI)、国家量子科学技术研究院 (QST) 的 Masaki Kando 博士领导的科学家团队、来自日本国立量子科学技术研究院 (QST) 的 Tomonao Hosokai 教授日本大阪大学 SANKEN 及其同事在 LWFA 电子束团 3D 密度剖面的单次监测方面取得了突破。通过对光跃迁辐射 (OTR) 成像、电光 (EO) 空间解码和遗传算法 (GA) 进行富有挑战性的实验和数值研究，成功重建了 LWFA 超快电子束团的详细 3D 结构，电子束复杂的束流动力学。
研究结果显示电子束的横向尺寸小于 30 微米，显示了 OTR 成像技术所实现的卓越分辨率。此外，电流分布呈现出复杂的多峰形状，亚10飞秒结构的峰值电流超过1千安(kA)，这证明了激光尾场加速的卓越性能。特别重要的是观察到的峰值 3D 数密度约为 9 × 10 21 m -3，为加速电子束团提供了宝贵的见解。这一突破性的探测表明了在光束传输线沿线任何位置安装探测器的潜力，从而为加速器科学及其他领域的未来应用开辟了新的途径。
QST 高级研究员、该论文的主要作者 Kai Huang 博士表示：“测量电子束三维密度分布的能力将增强我们对 LWFA 的理解，并释放其在各种应用中的全部潜力。” “本文提出的结果和方法对一系列学科具有深远的影响，包括加速器物理、高功率激光器和太赫兹光学。”
这项研究的发表凸显了QST致力于推进量子科学技术、创建世界领先的研发平台、探索新领域，从而实现重大的学术、社会和经济影响。
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