北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室•應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心顏學(xué)慶教授、陳佳洱院士、賀賢土院士與合作者近期在激光加速-強(qiáng)場物理中又取得了重要研究進(jìn)展,發(fā)表了題目為“Laser Shaping of a Relativistic Intense, Short Gaussian Pulse by a Plasma Lens” (PRL 107, 265002 (2011)) 的論文。研究中首次提出“激光等離子體透鏡”的概念,用于提高激光的對(duì)比度、聚焦光強(qiáng)和脈沖整形,對(duì)強(qiáng)場激光物理的發(fā)展將產(chǎn)生重要影響。
理論和加速實(shí)驗(yàn)研究表明,激光加速梯度可以達(dá)到100GV/m以上(比常規(guī)射頻加速器高3~6個(gè)量級(jí))。然而由于理論和技術(shù)的限制,激光加速離子的有效長度很短,實(shí)驗(yàn)中離子能量增益僅僅在幾十MeV左右。該研究小組在前期的研究中發(fā)現(xiàn)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用時(shí)存在一種穩(wěn)相加速機(jī)制(PRL, 100, 135003 (2008); PRL. 102, 239502 (2009)); PRL 102, 239502 (2009):即當(dāng)激光歸一化光強(qiáng)與膜片歸一化厚度相當(dāng)時(shí),圓偏振激光可以如常規(guī)加速器一樣對(duì)離子進(jìn)行加速和縱向聚束,從而可以產(chǎn)生高品質(zhì)的高能單色離子。
通過國際合作,我們?cè)诙啻螌?shí)驗(yàn)中成功地證實(shí)了穩(wěn)相加速機(jī)制的存在和優(yōu)點(diǎn)(PRL 103, 245003 (2009); PRL 107, 115002 (2011))。這些實(shí)驗(yàn)雖然證實(shí)了該方法可以大幅度提高離子束的能量、束流品質(zhì)和束流強(qiáng)度。研究表明該方法加速質(zhì)子到100MeV需要1021W/cm2以上的聚焦光強(qiáng),薄膜靶對(duì)激光的信燥比也提出了極高的要求(>1010 @10ps),對(duì)高功率激光提出了苛刻的要求。
在最近的研究工作中提出在薄膜靶之前放置 “激光等離子體透鏡”的新方法,可以對(duì)激光脈沖實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的橫向聚焦,大幅度提高激光光強(qiáng),縮短脈沖上升時(shí)間和改善脈沖的對(duì)比度。審稿人評(píng)論認(rèn)為這是一個(gè)新的突破:The present work undoubtedly the present work undoubtedly breaks new ground and is of interest to many physicists。這有望提供新的技術(shù)途徑來提高激光的對(duì)比度或者降低薄膜靶對(duì)激光對(duì)比度的要求,同時(shí)大大提高激光的聚焦光強(qiáng)。3年級(jí)博士生王鴻勇和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)秀博士后林晨在該研究中做出了重要貢獻(xiàn)。
該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)杰出青年基金、基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和863項(xiàng)目的資助。還得到了核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心資助。
相關(guān)研究背景:
粒子加速器從誕生至今推動(dòng)它發(fā)展的根本動(dòng)力在于探求人類面臨的四大基本問題即:物質(zhì)、宇宙、生命的基本構(gòu)成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律和人類思維的運(yùn)行規(guī)律。剛剛建成的世界上最大的加速器強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC把質(zhì)子加速到TeV以用于尋找質(zhì)量之源-Higgs粒子和檢測標(biāo)準(zhǔn)模型。傳統(tǒng)射頻加速器由于存在電場擊穿,加速梯度要低于100MV/m,所以隨著離子能量的提升加速器的體積變得非常龐大,LHC的周長達(dá)27km。
為了研究暗物質(zhì)、超對(duì)稱的破缺等前沿物理問題,科學(xué)家們還需要能量比LHC高千倍的 PeV 加速器,基于常規(guī)射頻加速技術(shù)建造這樣的加速器需要圍繞地球一圈,這是難以實(shí)現(xiàn)的。由于傳統(tǒng)加速器的局限性及其高昂的造價(jià),在過去的幾十年里物理學(xué)家一直在探索新的粒子加速原理,以期在較短的距離內(nèi)將粒子加速到很高能量。
隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展,激光聚焦光強(qiáng)可以達(dá)到1018W/cm2以上,對(duì)應(yīng)的電場高達(dá)1012V/m。這樣強(qiáng)的激光與等離子體相互作用時(shí),由于等離子體本身是一個(gè)電離的狀態(tài),不存在擊穿問題,產(chǎn)生的加速電場可以比常規(guī)加速器至少高出千倍以上,可以更加經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)超高能離子加速。更高的能量意味著更高的空間分辨率,它將為人類提供更加強(qiáng)大的“離子顯微鏡”,從而為探索暗物質(zhì)暗能量和超對(duì)稱缺失等最前沿物理問題提供所必須的工具。
同時(shí),激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的離子束具有能量高、脈沖短(~ps)、尺寸?。ㄎ⒚祝⒎较蛐院靡约稗D(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),也具有很高的時(shí)間和空間分辨率,在離子束“快點(diǎn)火”核聚變方案、質(zhì)子束成像和癌癥診斷與治療等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
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