原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

电子束（紫色）后面的尾流以及光脉冲（蓝色和红色条纹）如何在其后面冲浪的3D模拟。等离子体尾流以交替黄色表示没有电子，绿色表示电子密度峰值。当光脉冲位于该边界上时，它可以不断获得能量 - 诀窍是将其保持在那里。资料来源：瑞安·桑德伯格，高场科学集团

在电子束脉冲之后冲浪的激光脉冲可能会从可见光上升到极端紫外光，密歇根大学的模拟表明。

这种方法可以更有效地产生高能激光，甚至可能是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，通过延长激光脉冲在电子束尾迹中可以骑乘的时间段，可以继续增强激光脉冲的能量。

“未来的激光器，可能包括那些用于为计算机设计半导体芯片的激光器，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Alec Thomas说。

频率增加十倍足以将可见光转化为极紫外辐射，并且该方法还保持了初始激光脉冲中波的对齐，称为相干性。此外，脉冲的能量随着频率的增加而上升，使峰值功率高达100万亿瓦。

这比世界发电能力的输出还要多，只是短暂的千万亿分之一秒。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确认这一发现之前不估计多少。

电子束（紫色）后面的尾流的3D模拟的侧视图，以及光脉冲（蓝色和红色条纹）如何在其后面冲浪。资料来源：瑞安·桑德伯格，高场科学集团

以下是它的工作原理：

从以接近光速传播的短电子脉冲开始。当它们穿过气体时，它们会将其撕裂或电离，从而产生一种称为等离子体的物质状态，其中电子从原子中被抬起。就电子脉冲而言，带正电荷的重离子是静止的，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，将水推到它后面，”第一作者Ryan Sandberg说，他是应用和跨学科数学和科学计算的UM博士毕业生，现在是劳伦斯伯克利国家实验室的研究员。“电子脉冲穿过，激光脉冲与坐在摩托艇后面试图冲浪的人非常相似。

尾流冲浪激光脉冲 - 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。它这样做是因为相当高密度的松散电子，以它们基本上不存在的区域为边界，创造了一个边界，其中激光在两侧移动不同。当光波离开松散的电子时，波峰和波谷靠拢在一起，将激光脉冲转移到更高、更有能量的光频率。

电子束（紫色）后面的尾流的3D模拟的结束视图，以及光脉冲（蓝色和红色条纹）如何在其后面冲浪。资料来源：瑞安·桑德伯格，高场科学集团

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，但在当时，在激光脉冲滑出等离子体尾流的位置之前，只有10%的升档似乎是可行的。尽管如此，加利福尼亚团队推测，如果有可能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。麻烦的是，电子束以及尾流的速度与激光脉冲的速度不同——即使光正在获得能量，等离子体也会稍微减慢速度。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。

桑德伯格和托马斯提议通过改变电子束穿过的气体密度来实现这一目标。随着气体密度降低，尾流进一步延伸到电子束后面。

“通过这样做，瑞安设法使频率升档比以前任何人做过的频率高一百倍，”托马斯说。

桑德伯格和托马斯认为，在斯坦福直线加速器中心等实验室以及未来密歇根大学的宙斯激光设施中，使用这种方法可以实现十倍的频率提高。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，推动更高的能量和频率。