BELLA中心（Berkeley Lab Laser Accelerator，伯克利激光加速器中心)將一種20厘米長(zhǎng)的毛細(xì)管放電波導(dǎo)管用于引導(dǎo)高強(qiáng)度激光脈沖，并創(chuàng)造加速電子新記錄——80億電子伏特(GeV)。圖片：Thor Swift/Berkeley Lab
聚焦到極小斑點(diǎn)的高功率激光脈沖可達(dá)到超高強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)從科學(xué)研究到工業(yè)和醫(yī)學(xué)的各種應(yīng)用。在伯克利實(shí)驗(yàn)室BELLA激光加速器中心，強(qiáng)度正是建造粒子加速器——比達(dá)到相同能量的傳統(tǒng)加速器短幾千倍的關(guān)鍵。然而，激光等離子體加速器(laser-plasma accelerators-LPAs)需要較長(zhǎng)加速器產(chǎn)生持續(xù)強(qiáng)度，而不僅僅是因?yàn)檠苌渚脱杆贁U(kuò)大的焦斑。
為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)的強(qiáng)度，能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的BELLA中心使用包含等離子體的薄中空結(jié)構(gòu)或“毛細(xì)管”來(lái)傳輸光脈沖。該中心的研究人員一直在朝著越來(lái)越長(zhǎng)的毛細(xì)管努力，用他們的激光等離子體加速器爭(zhēng)取更高的光束能量。
他們的最新工作以前所未有的高精度表明，這些等離子體波導(dǎo)極其穩(wěn)定，具有可再現(xiàn)的高質(zhì)量，并且這些特性可以在長(zhǎng)達(dá)40厘米的波導(dǎo)內(nèi)保持。這意味著隨著B(niǎo)ELLA中心向更高能量推進(jìn)，這種用于低功率放大器的關(guān)鍵技術(shù)可以規(guī)?；瘧?yīng)用，助力生物醫(yī)學(xué)研究、治療以及研究設(shè)施的自由電子激光光源的不斷發(fā)展。
這項(xiàng)工作由博士后學(xué)者M(jìn)arlene Turner領(lǐng)導(dǎo)，他與科研人員Anthony Gonsalves進(jìn)行合作，在《High Power Laser Science and Engineering》上發(fā)表他們的最新研究。BELLA中心加速器技術(shù)和應(yīng)用物理部主任Cameron Geddes說(shuō)：“這項(xiàng)工作證明毛細(xì)管可以產(chǎn)生極其穩(wěn)定的等離子體靶用于加速，加速器性能變化主要由激光波動(dòng)驅(qū)動(dòng)，表明需要主動(dòng)激光反饋控制。
等離子體通道—為強(qiáng)脈沖提供一致引導(dǎo)
光纖可以將激光束脈沖傳輸數(shù)千公里，這在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中非常常見(jiàn)。然而，BELLA中心使用的高激光強(qiáng)度(比地球表面的太陽(yáng)光強(qiáng)20個(gè)數(shù)量級(jí))，激光場(chǎng)幾乎可瞬間將電子從其母體原子中移除，從而破壞玻璃纖維等固體材料。只有使用等離子體作為“纖維”，等離子體是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，在此狀態(tài)中電子已經(jīng)從它們的原子中被移除。
Marlene Turner(右)與Anthony Gonsalves合作，由于疫情防控需要，雙方戴著口罩圖片：Thor Swift/Berkeley Lab
BELLA中心使用等離子體來(lái)引導(dǎo)長(zhǎng)達(dá)20厘米的激光脈沖，以實(shí)現(xiàn)迄今為止最高的激光驅(qū)動(dòng)粒子能量。等離子體由毛細(xì)管內(nèi)的放電產(chǎn)生，可以想象成電子在激光脈沖建立的超高電場(chǎng)波里“沖浪”。激光聚焦持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，這些電子速度就越快。
然而，放電中的氣體擊穿可以被想象成一個(gè)微小的、受限的雷擊，本質(zhì)上是一個(gè)劇烈且基本上不受控制的過(guò)程。該中心的研究人員就需要弄清楚一個(gè)激光脈沖到另一個(gè)激光脈沖的波導(dǎo)特性的可再現(xiàn)性如何，以及每個(gè)激光脈沖的引導(dǎo)效果如何。為了給出類似于光纖的波導(dǎo)結(jié)果，等離子體密度應(yīng)該在中心最低，在輪廓?jiǎng)t呈現(xiàn)拋物線。Gonsalves說(shuō)：“我們以前所未有的精度表明，等離子體用于引導(dǎo)激光脈沖光斑的拋物線輪廓，允許脈沖在波導(dǎo)中傳播而不降低質(zhì)量。"
使用這些方法，還可以高精度測(cè)量其他類型的等離子體波導(dǎo)。測(cè)量精度對(duì)于研究從一次激光照射到另一次激光照射的密度分布變化很重要，因?yàn)楸M管毛細(xì)管很耐用，但其中的波導(dǎo)等離子體每次都會(huì)重新形成。該團(tuán)隊(duì)用過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了其出色的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。BELLA中心主任Eric Esarey說(shuō)：“這些結(jié)果以及我們正在進(jìn)行的借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的主動(dòng)反饋工作，是提高激光等離子加速器穩(wěn)定性和可用性的關(guān)鍵一步。
激光等離子體加速技術(shù)可減小粒子加速器的尺寸、降低其成本，從而增加研究探索中的可用性，并為下一代高能物理粒子對(duì)撞機(jī)提供可能。提高粒子束能量并使其超過(guò)目前的80億電子伏特記錄的關(guān)鍵方法有兩種——其一是使用更長(zhǎng)的加速通道，其二則是“分段”，即使用一個(gè)加速模塊的輸出作為另一個(gè)加速模塊的輸入。驗(yàn)證加速發(fā)生的等離子體通道的質(zhì)量以及該質(zhì)量的一致性和可重復(fù)性可以為未來(lái)的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
Marlene Turner正在檢查一根40厘米長(zhǎng)的毛細(xì)管
除了研究這種基于毛細(xì)管的波導(dǎo)具有高質(zhì)量和穩(wěn)定的質(zhì)量之外，該團(tuán)隊(duì)還將波導(dǎo)長(zhǎng)度延伸至40厘米——現(xiàn)有破紀(jì)錄能量的波導(dǎo)的兩倍。Turner對(duì)此十分自信，她認(rèn)為現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的40厘米長(zhǎng)的精密波導(dǎo)可以將這些能量推得更高。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)能源部科學(xué)辦公室、高能物理辦公室的支持。
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