激光尾波場加速（Laser Wakefield Acceleration, LWFA）憑借比傳統加速器高出千倍以上的加速梯度，有望推動加速器朝著小型化、低成本的方向變革，在新型輻射源、醫學成像、腫瘤放療等領域潛力巨大。然而，電子束注入機制在很大程度上決定了最終電子束的能量、能散和穩定性。

       離化注入機制因其能夠穩定地產生大電量電子束而被廣泛應用，但氣體持續離化導致的連續注入過程，使得離化注入機制得到的電子通常為連續寬譜，限制了其在高精度物理實驗和緊湊型光源中的應用。如何在保持注入穩定性的同時，實現可控制截止的離化注入，一直是激光等離子體加速領域的重要挑戰。

圖1 剪式交叉離化注入的物理機制示意

       本工作中，研究團隊實驗驗證了一種新型的剪式交叉離化注入方案，該理論方案于2022年由李大章研究員、曾明特聘研究員團隊提出[3]。該方法通過引入一束觸發激光，與驅動激光在等離子體中以約30°夾角交叉，使兩束激光的疊加電場僅在極小的時空區域內超過原子內層電子的離化閾值，從而觸發局域、瞬態的離化注入過程（圖1）。

       與傳統連續離化注入不同，該機制能夠在注入窗口關閉后迅速終止離化電子和注入，使被捕獲電子幾乎在同一加速相位進入尾波場，有效抑制了能散展寬問題。該方案通過雙激光時空同步實現，對實驗實現具有良好的兼容性和可擴展性。

圖2 剪式交叉離化注入條件下的電子能譜與統計結果

       在實驗中，研究團隊系統比較了不同氣體類型及不同激光配置下的電子注入行為。結果表明，當采用氮氣并開啟觸發激光時，剪式交叉離化注入能夠穩定地產生準單能電子束（圖2）。相比之下，傳統的碰撞注入、自注入或單激光條件下，電子束普遍表現出能譜展寬大、穩定性差等問題。進一步的時間延遲掃描實驗顯示，通過精確調控兩束激光的飛秒級時間延遲，可以靈活調節電子束的電荷量與能譜特性，充分體現了該注入機制的可控性。

圖3 剪式交叉離化注入的PIC模擬結果

       為深入理解實驗結果，研究團隊開展了Particle-in-Cell數值模擬。模擬結果顯示，電子主要來源于氮原子內層電子的離化注入，且注入區域高度局域化。由于注入長度在微米量級，電子在隨后的加速過程中始終處于相近的加速相位，從而形成準單能能譜。模擬結果與實驗觀測高度一致，進一步驗證了剪式交叉離化注入在抑制連續注入、提升電子束品質方面的獨特優勢（圖3）。

       在此項計算機模擬工作過程中，研究團隊提出了用預設電磁場時空分布模擬斜入射激光的模擬算法。目前準柱坐標的PIC模擬算法已經成為LWFA的主流模擬方法，其在保持與全三維模擬算法相同的準確性的前提下，將模擬效率提高了2到3個數量級。但是準柱坐標的PIC算法在碰到大大偏離柱對稱的問題時會失效，比如此項工作中存在斜入射激光的情況。我們研究發現，在斜入射激光與主激光作用范圍較小（10微米量級）的情況下，可在準柱坐標的PIC算法中用解析的電磁場分布代替斜入射激光，從而同時保持模擬的高效率和準確性。在這個新算法的幫助下，我們實現了對實驗結果的高效率模擬復現。該粒子模擬方法發表在Phys. Rev. Accel. Beams 28, 021301 (2025)。

       該研究在實驗中驗證了剪式交叉離化注入機制的可行性與優勢，成功解決了傳統離化注入中連續注入導致能散展寬的關鍵問題。該方法通過局域電場疊加實現可控的局域注入，為獲得高電荷、低能散、高重復性電子束提供了一種全新的技術路徑。未來，該注入機制將在推動緊湊型激光粒子加速器AI智能化、光源優化及強場QED物理研究等方面發揮重要作用，并有望為高品質電子束在腫瘤細胞精準放療方面的研究提供有力支撐。