密歇根大学进行的模拟显示，在电子束脉冲之后冲浪的激光脉冲可以从可见光升档到极紫外光。

　　这种方法可以更有效地产生高能激光，甚至可能产生 X 射线。3D 模拟显示光的频率增加了 10 倍，而 1D 模拟增加了 50 倍。原则上，研究人员表示，可以通过延长激光脉冲跟随电子束的时间来继续增强激光脉冲的能量。

　　“未来的激光器，可能包括那些用于计算机半导体芯片图案化的激光器，可以利用这种效应更有效地产生更高能量的脉冲，”密歇根大学核工程和放射科学教授、该研究的通讯作者亚历克托马斯说。评论信。

　　频率增加 10 倍就足以将可见光转化为极紫外辐射，而且该方法还能保持初始激光脉冲中波的排列，即所谓的相干性。此外，脉冲能量随频率上升，峰值功率高达 100 万亿瓦。这超过了世界发电能力的输出，持续了千万亿分之一秒。研究人员预计，这种现象可以在半导体制造和激光物理实验室中节省大量能源，尽管他们宁愿在通过实验证实这一发现之前不估计能节省多少能源。

　　它是这样工作的：

　　从以接近光速的电子短脉冲开始。当它们穿过气体时，它们会将气体撕裂或电离，从而产生一种称为等离子体的物质状态，在这种状态下，电子会从原子中脱离出来。就电子脉冲而言，带正电的重离子是静止的，但松散的电子在电子脉冲后面形成尾流。

　　“这有点像一艘摩托艇在水中飞行，将水推到身后，”第一作者、密歇根大学博士Ryan Sandberg说。毕业于应用和跨学科数学和科学计算，现在是劳伦斯伯克利国家实验室的研究员。“电子脉冲穿过，激光脉冲非常类似于坐在摩托艇后面试图冲浪的人。”

　　那个尾流冲浪激光脉冲——正好位于尾随电子束的第一波松散电子之前——将从尾流中获取能量。之所以这样做，是因为相当高密度的松散电子，与它们基本上不存在的区域接壤，形成了激光在任一侧移动不同的边界。当光波离开松散的电子时，波峰和波谷靠得更近，将激光脉冲转移到更高、更高能的光频率。

　　电子束（紫色）后面尾流的 3D 模拟侧视图，以及光脉冲（蓝色和红色条纹）如何在它后面冲浪。图片来源：High Field Science Group 的 Ryan Sandberg

　　电子束（紫色）后面尾流的 3D 模拟端视图，以及光脉冲（蓝色和红色条纹）如何在它后面冲浪。图片来源：High Field Science Group 的 Ryan Sandberg

　　加州大学洛杉矶分校和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员于 1989 年首次预测了这种效应，但当时，在激光脉冲在等离子体尾流上滑出位置之前，只有 10% 的升档似乎是可行的。不过，加利福尼亚团队推测，如果可以将光保持在电子和没有电子的区域之间的边界上，脉冲可以继续获得能量，甚至增加十倍。

　　30 多年后，密歇根团队找到了实现这一目标的新方法。问题在于电子束和尾流的速度与激光脉冲的速度不同——即使等离子体正在获得能量，光也会稍微减慢速度。为了将激光脉冲保持在正确的位置，边界还需要相对于电子束向后移动。

　　Sandberg 和 Thomas 提议通过改变电子束穿过的气体密度来实现这一点。随着气体密度降低，尾流在电子束后面延伸得更远。

　　“通过这样做，Ryan 成功地将频率提升了 100 倍，这是以往任何人都无法做到的，”Thomas 说。

　　Sandberg 和 Thomas 认为，在斯坦福直线加速器中心等实验室以及未来在密歇根大学的 ZEUS 激光设备中，使用这种方法可以将频率提高十倍。原则上，他们预计只要光停留在边界上，光的波长就会继续缩短，从而推动更高的能量和频率。

　　该研究由空军科学研究办公室资助，资助号 FA9550-19-1-0072 和国家科学基金会资助号 1804463。该模拟运行在密歇根大学高级研究计算提供的计算资源上。