激光尾波场加速（Laser wakefield acceleration, LWFA）利用超强激光在等离子体中激发强尾波场，可提供远高于传统射频加速器的加速梯度，进而产生高能量、高亮度电子束，是发展紧凑型高能加速器和辐射源的重要方案。然而LWFA的加速距离会受到激光衍射、电子失相等因素限制，激光到电子的能量转换效率通常仅为千分之几。此外束流驱动等离子体尾波场加速（Beam-driven Plasma wakefield acceleration, PWFA）则利用高能、高亮度电子束驱动等离子体尾波，可以避免电子失相等问题，但通常需要大型传统加速器提供驱动束。

激光-束流混合等离子体尾波场加速（LPWFA）结合了两者优势：先由LWFA产生高流强电子束，再由电子束继续驱动PWFA，从而兼具LWFA的紧凑性和PWFA的无失相特性。目前， LPWFA双靶实验方案通常利用金属箔阻挡剩余激光，使电子束单独进入第二级等离子体，驱动PWFA并提升电子束能量和亮度，但该方法牺牲了激光到电子的整体能量转换效率。上海交通大学陈黎明教授团队的理论和实验研究表明，如果LWFA向PWFA的自模式转换能够在单一等离子体靶内实现，就可以更充分地利用激光能量，显著提升电子能量转化效率。

怀柔综合极端条件（SECUF）超快X射线动力学实验站拥有峰值功率1PW，脉冲宽度25fs的大型飞秒激光器、配套齐全的真空靶室系统、以及电子和X射线束流诊断设备，能够充分满足LPWFA实验的需求。 近期，陈黎明教授用户团队与超快X射线动力学实验站开展合作研究，实现了单一等离子体靶内的LPWFA，在高电荷量及高能量转换效率激光等离子体电子加速研究方面取得新进展。

实验中，研究人员利用800nm、25 fs、9 J的超强超短激光脉冲与亚临界密度靶相互作用（图1），并对比了0.3 mm和2 mm 喷嘴的电子加速结果。使用0.3 mm喷嘴电子能谱呈现高密度LWFA典型的双温分布特征，6 MeV以上电子电荷量约为7.3 nC。相比在2 mm喷嘴条件下，电子能谱显著增强，并在约30 MeV附近形成平台结构；实验获得31 nC（>6 MeV）和116 nC（>2 MeV）的高电荷电子束，转换效率最高达16.4%。散射光成像显示，在0.3 mm喷嘴中，激光能够贯穿整个气体靶；而在2 mm喷嘴中，散射光仅延伸至喷嘴长度的一半左右，表明激光发生显著耗尽，并发生LWFA向PWFA的自模式转换（图2）。

图1：实验装置示意图

图2：0.3 mm与2 mm喷嘴下电子加速实验结果对比

为了深入理解实验结果，研究团队开展了PIC数值模拟。模拟结果显示，在0.3 mm喷嘴时，加速过程主要由LWFA主导，电子通过波破注入到尾场中，且在加速后期激光仍然有继续加速的能力。而在2 mm喷嘴时，加速过程依次经历LWFA、LWFA-PWFA混合和PWFA三个阶段（图3），更长的加速距离使更多电子被加速到更高能量。在LWFA加速后期，激光自陡化效应将多空泡合并拉伸为连续的长加速通道，使电子注入率提高，电子束电荷量达到18nC (>6MeV)。随着激光逐渐耗尽，前期产生的高能电子束开始接替激光驱动尾场，此时激光到电子的能量转换效率达到最大值。在随后的PWFA阶段，尾场完全由高能电子束驱动，大量电子继续通过波破注入并被加速，使电子电荷量进一步提升，达到26nC (>6MeV)，与实验结果相符。

图3：0.3 mm与2 mm喷嘴下PIC模拟结果

该研究实验验证了单靶LWFA向PWFA自模式转换的高效电子加速机制，获得了高达百纳库的相对论电子束，显著提高了激光到电子的能量转换效率。未来，该类电子束及其次级辐射和粒子将进一步用于原子核激发、短寿命核能级研究，以及通过 (γ,n) 反应产生短脉冲高通量中子源，服务于工业应用和核物理研究。相关成果以“Efficient generation of a 100 nC electron beam via self-mode transition from LWFA to PWFA”为题，发表于High Power Laser Science and Engineering 14, e7 (2026)。该研究得到国家自然科学基金重点项目、中国科学院先导专项项目等资助。