電子束（紫色）后面的尾流以及光脈沖（藍(lán)色和紅色條紋）如何在其后面沖浪的3D模擬。等離子體尾流以交替黃色表示沒有電子，綠色表示電子密度峰值。當(dāng)光脈沖位于該邊界上時(shí)，它可以不斷獲得能量 - 訣竅是將其保持在那里。資料來源：瑞安·桑德伯格，高場(chǎng)科學(xué)集團(tuán)

在電子束脈沖之后沖浪的激光脈沖可能會(huì)從可見光上升到極端紫外光，密歇根大學(xué)的模擬表明。

這種方法可以更有效地產(chǎn)生高能激光，甚至可能是X射線。3D模擬顯示光的頻率增加了10倍，而1D模擬增加了50倍。原則上，研究人員表示，通過延長(zhǎng)激光脈沖在電子束尾跡中可以騎乘的時(shí)間段，可以繼續(xù)增強(qiáng)激光脈沖的能量。

“未來的激光器，可能包括那些用于為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體芯片的激光器，可以利用這種效應(yīng)更有效地產(chǎn)生更高能量的脈沖，”密歇根大學(xué)核工程和放射科學(xué)教授Alec Thomas說。

頻率增加十倍足以將可見光轉(zhuǎn)化為極紫外輻射，并且該方法還保持了初始激光脈沖中波的對(duì)齊，稱為相干性。此外，脈沖的能量隨著頻率的增加而上升，使峰值功率高達(dá)100萬億瓦。

這比世界發(fā)電能力的輸出還要多，只是短暫的千萬億分之一秒。研究人員預(yù)計(jì)，這種現(xiàn)象可以在半導(dǎo)體制造和激光物理實(shí)驗(yàn)室中節(jié)省大量能源，盡管他們寧愿在通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)這一發(fā)現(xiàn)之前不估計(jì)多少。

電子束（紫色）后面的尾流的3D模擬的側(cè)視圖，以及光脈沖（藍(lán)色和紅色條紋）如何在其后面沖浪。資料來源：瑞安·桑德伯格，高場(chǎng)科學(xué)集團(tuán)

以下是它的工作原理：

從以接近光速傳播的短電子脈沖開始。當(dāng)它們穿過氣體時(shí)，它們會(huì)將其撕裂或電離，從而產(chǎn)生一種稱為等離子體的物質(zhì)狀態(tài)，其中電子從原子中被抬起。就電子脈沖而言，帶正電荷的重離子是靜止的，但松散的電子在電子脈沖后面形成尾流。

“這有點(diǎn)像一艘摩托艇在水中飛行，將水推到它后面，”第一作者Ryan Sandberg說，他是應(yīng)用和跨學(xué)科數(shù)學(xué)和科學(xué)計(jì)算的UM博士畢業(yè)生，現(xiàn)在是勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究員?！半娮用}沖穿過，激光脈沖與坐在摩托艇后面試圖沖浪的人非常相似。

尾流沖浪激光脈沖 - 位于尾隨電子束的第一波松散電子之前 - 將從尾流中獲取能量。它這樣做是因?yàn)橄喈?dāng)高密度的松散電子，以它們基本上不存在的區(qū)域?yàn)檫吔?，?chuàng)造了一個(gè)邊界，其中激光在兩側(cè)移動(dòng)不同。當(dāng)光波離開松散的電子時(shí)，波峰和波谷靠攏在一起，將激光脈沖轉(zhuǎn)移到更高、更有能量的光頻率。

電子束（紫色）后面的尾流的3D模擬的結(jié)束視圖，以及光脈沖（藍(lán)色和紅色條紋）如何在其后面沖浪。資料來源：瑞安·桑德伯格，高場(chǎng)科學(xué)集團(tuán)

加州大學(xué)洛杉磯分校和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員于1989年首次預(yù)測(cè)了這種效應(yīng)，但在當(dāng)時(shí)，在激光脈沖滑出等離子體尾流的位置之前，只有10%的升檔似乎是可行的。盡管如此，加利福尼亞團(tuán)隊(duì)推測(cè)，如果有可能將光保持在電子和沒有電子的區(qū)域之間的邊界上，脈沖可以繼續(xù)獲得能量，甚至增加十倍。

30多年后，密歇根團(tuán)隊(duì)找到了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的新方法。麻煩的是，電子束以及尾流的速度與激光脈沖的速度不同——即使光正在獲得能量，等離子體也會(huì)稍微減慢速度。為了將激光脈沖保持在正確的位置，邊界還需要相對(duì)于電子束向后移動(dòng)。

桑德伯格和托馬斯提議通過改變電子束穿過的氣體密度來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。隨著氣體密度降低，尾流進(jìn)一步延伸到電子束后面。

“通過這樣做，瑞安設(shè)法使頻率升檔比以前任何人做過的頻率高一百倍，”托馬斯說。

桑德伯格和托馬斯認(rèn)為，在斯坦福直線加速器中心等實(shí)驗(yàn)室以及未來密歇根大學(xué)的宙斯激光設(shè)施中，使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)十倍的頻率提高。原則上，他們預(yù)計(jì)，只要光停留在邊界上，光的波長(zhǎng)就會(huì)繼續(xù)縮短，推動(dòng)更高的能量和頻率。