突破！高强度激光器粒子束能量达80亿电子伏特

BELLA中心（Berkeley Lab Laser Accelerator，伯克利激光加速器中心)将一种20厘米长的毛细管放电波导管用于引导高强度激光脉冲，并创造加速电子新记录——80亿电子伏特(GeV)。图片：Thor Swift/Berkeley Lab

聚焦到极小斑点的高功率激光脉冲可达到超高强度，能够实现从科学研究到工业和医学的各种应用。在伯克利实验室BELLA激光加速器中心，强度正是建造粒子加速器——比达到相同能量的传统加速器短几千倍的关键。然而，激光等离子体加速器(laser-plasma accelerators-LPAs)需要较长加速器产生持续强度，而不仅仅是因为衍射就迅速扩大的焦斑。

为了实现持续的强度，能源部劳伦斯伯克利国家实验室的BELLA中心使用包含等离子体的薄中空结构或“毛细管”来传输光脉冲。该中心的研究人员一直在朝着越来越长的毛细管努力，用他们的激光等离子体加速器争取更高的光束能量。

他们的最新工作以前所未有的高精度表明，这些等离子体波导极其稳定，具有可再现的高质量，并且这些特性可以在长达40厘米的波导内保持。这意味着随着BELLA中心向更高能量推进，这种用于低功率放大器的关键技术可以规模化应用，助力生物医学研究、治疗以及研究设施的自由电子激光光源的不断发展。

这项工作由博士后学者Marlene Turner领导，他与科研人员Anthony Gonsalves进行合作，在《High Power Laser Science and Engineering》上发表他们的最新研究。BELLA中心加速器技术和应用物理部主任Cameron Geddes说：“这项工作证明毛细管可以产生极其稳定的等离子体靶用于加速，加速器性能变化主要由激光波动驱动，表明需要主动激光反馈控制。

等离子体通道—为强脉冲提供一致引导

光纤可以将激光束脉冲传输数千公里，这在现代计算机网络中非常常见。然而，BELLA中心使用的高激光强度(比地球表面的太阳光强20个数量级)，激光场几乎可瞬间将电子从其母体原子中移除，从而破坏玻璃纤维等固体材料。只有使用等离子体作为“纤维”，等离子体是一种特殊的物质状态，在此状态中电子已经从它们的原子中被移除。

Marlene Turner(右)与Anthony Gonsalves合作，由于疫情防控需要，双方戴着口罩图片：Thor Swift/Berkeley Lab

BELLA中心使用等离子体来引导长达20厘米的激光脉冲，以实现迄今为止最高的激光驱动粒子能量。等离子体由毛细管内的放电产生，可以想象成电子在激光脉冲建立的超高电场波里“冲浪”。激光聚焦持续时间越长，这些电子速度就越快。

然而，放电中的气体击穿可以被想象成一个微小的、受限的雷击，本质上是一个剧烈且基本上不受控制的过程。该中心的研究人员就需要弄清楚一个激光脉冲到另一个激光脉冲的波导特性的可再现性如何，以及每个激光脉冲的引导效果如何。为了给出类似于光纤的波导结果，等离子体密度应该在中心最低，在轮廓则呈现抛物线。Gonsalves说：“我们以前所未有的精度表明，等离子体用于引导激光脉冲光斑的抛物线轮廓，允许脉冲在波导中传播而不降低质量。"

使用这些方法，还可以高精度测量其他类型的等离子体波导。测量精度对于研究从一次激光照射到另一次激光照射的密度分布变化很重要，因为尽管毛细管很耐用，但其中的波导等离子体每次都会重新形成。该团队用过研究发现了其出色的稳定性和重现性。BELLA中心主任Eric Esarey说：“这些结果以及我们正在进行的借助机器学习技术的主动反馈工作，是提高激光等离子加速器稳定性和可用性的关键一步。

等离子体引导的激光脉冲——照亮前路

激光等离子体加速技术可减小粒子加速器的尺寸、降低其成本，从而增加研究探索中的可用性，并为下一代高能物理粒子对撞机提供可能。提高粒子束能量并使其超过目前的80亿电子伏特记录的关键方法有两种——其一是使用更长的加速通道，其二则是“分段”，即使用一个加速模块的输出作为另一个加速模块的输入。验证加速发生的等离子体通道的质量以及该质量的一致性和可重复性可以为未来的研究打下坚实的基础。