GeV 尾场加速器中等离子体气泡的法拉第旋转研究

我们通过成像在密度为 $n_e \approx 5\times10^{17}$ ${\rm cm}^{-3}$ 的等离子体中由 0.67 PW 激光脉冲驱动的等离子体气泡上的法拉第旋转图样来对其进行可视化，所用线偏振探测脉冲波长为 $\lambda_{pr} = 1.05 \mu$m、持续时间为 $\tau_{pr} = 2$ ps 或 $1$ ps，且以直角穿过气泡路径。当气泡俘获并加速数十至数百 pC 的电子电荷时，我们观察到两条平行于驱动脉冲传播轴的条纹，长度为 $c\tau_{pr}$，跨立于轴两侧，间距约 $\sim45$ $\mu$m，其中探测偏振以相反方向旋转 $0.3^\circ$ 至超过 $5^\circ$。伴随的模拟表明，它们源于探测脉冲穿过气泡期间，被加速电子的方位角磁场充斥的致密气泡侧壁内的法拉第旋转。对条纹宽度的分析表明，气泡内准单能高能电子和拖尾低能电子对观测信号贡献了可区分的部分，并且鞘层电子的相对论性流动抑制了气泡后部的法拉第旋转。该结果证明了法拉第旋转诊断可 favorable scaling 至比先前演示低 $40\times$ 的等离子体密度。