动态焦点:美国团队精确控制超快激光，使电子在20cm内加速至5 GeV

近期，美国的一个研究合作团队宣布，他们通过对超快激光的精确控制，使电子在20厘米的范围内加速到通常只有10个足球场大小的粒子加速器才能达到的速度。

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据悉，美国马里兰大学（UMD）的一个由物理、电子和计算机工程教授Howard Milchberg领导的团队，与美国科罗拉多州立大学（CSU）的Jorge J． Rocca团队合作，利用两个通过氢气喷射产生的激光脉冲实现了这一壮举。

模拟图：其中激光脉冲（红色）驱动等离子体波，加速其尾迹中的电子。亮黄色的点是电子浓度最高的区域。在一项实验中，科学家们利用这项技术在20厘米的跨度内将电子加速到接近光速。（图片来源：UMD）

在这个过程中，第一个脉冲撕裂了氢气，在氢气上打出了一个洞，形成了一个等离子体通道。该通道引导第二个功率更高的脉冲从等离子体中吸收电子，并将它们拖在其尾迹中，在这个过程中将电子加速到接近光速。通过这项技术，该团队将电子加速到大型设施（SLAC国家加速器实验室相干光源LCLS）中所获得能量的近40％。

LCLS是一条长1公里的“隧道”，可以利用其超高速电子产生世界上最强大的X射线激光束。而目前，它还可以将电子加速到136亿电子伏（GeV），这是电子以99．99999993％的光速运动时的能量。

密歇根大学电子与应用物理研究所的研究员Milchberg表示，这是第一个完全由激光驱动的多GeV电子加速器。随着激光成本越来越低，效率越来越高，预计这一技术将成为该领域研究人员的一大延伸拓展方向。上述论文于2022年8月1日发表在《物理评论X》（Physical Review X）杂志上。

将电子加速到数十亿电子伏特（GeV）的能量并非易事。为了将这项技术的规模扩大到更可控的程度，UMD和CSU的团队努力利用光本身将电子的速度提高到接近光速。

研究人员们的最终目标是将GeV规模的电子加速器缩小到一个中等大小的房间。在实验室中创造这些更强的加速场需要一个叫做激光尾迹场加速（laser wakefield acceleration）的过程。在这个过程中，一个紧密聚焦的强激光脉冲通过等离子体产生扰动，并在其尾迹中拉动电子。

而让上述合作团队能够比以往任何时候都更有效地利用尾流场加速的是UMD团队首创的一项技术，该技术可以抑制高能波束，防止其能量过度分散。他们的技术在等离子体上打一个洞，形成一个波导，使光束的能量聚焦。

他们的技术创造了一种类似于光纤电缆的东西——可以在稀薄的空气中传输光纤互联网服务和其他电信信号的东西。或者更准确地说，是由精心控制的氢气喷射而成。

传统的光纤波导由两个部分组成：一个引导光的中心“核心”和一个周围的防止光泄漏的“包层”。而为了制造等离子体波导，上述合作研究小组使用了额外的激光束和氢气射流。当这束额外的“引导”激光穿过射流时，它将电子从氢原子上剥离，并形成等离子体通道。此时等离子体是热的，并迅速开始膨胀，形成密度较低的等离子体“核”，而在其边缘形成密度较高的气体，就像一个圆柱形外壳。然后，主激光束（将在其尾流中收集电子的激光束）通过这个通道发送出去。脉冲的最前端也将高密度的壳层转变为等离子体，形成“包层”。

结果显示，利用马里兰大学（UMD）的光学产生等离子体波导技术，结合科罗拉多州立大学团队的高能激光器和专业知识，研究人员能够将一些电子加速到惊人的5 GeV。这仍然比SLAC的大型加速器低3倍，而且还没有达到激光尾迹场加速所达到的最大值。然而，在这项新研究中，每GeV加速度所使用的激光能量创下了新纪录，而且该团队说他们的技术更通用：它可能每秒产生数千次电子爆发（而不是大约每秒一次），这使它成为许多应用的一项有前途的技术。

关键词： 超快激光 粒子加速器