超強激光作為一種獨特的能量來源，在科學研究、工業以及醫學等諸多方面發揮著關鍵作用。為了獲得高強度激光脈沖，光束一般會在空間內匯聚到一個非常小的尺寸，匯聚之后由于衍射效應會很快發散開來。然而在諸如激光尾場加速等領域需要激光在一個相當長的距離維持較高的光強，由勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的科學家Marlene Turner領導的一項研究延伸到了這個領域。
在激光尾場加速中，超強激光用于激發等離子體中的靜電波，帶電粒子可以在靜電波中加速，類似于在海面上沖浪。這種加速器最為特殊的地方在于：帶電粒子獲得一定能量所需的加速距離比傳統加速方式縮短數千倍。但是如果沒有對激光束進行引導，其在焦點之后會很快散開，大大降低了激光脈沖的強度以及可以驅動高強度尾場的加速距離。所以加速距離的縮短會導致粒子不能獲得最佳的加速能量。
對于低光強脈沖，解決衍射的手段是光纖玻璃，它可以將激光光束導引數千公里，然而高光強激光會破壞光纖。在High Power Laser Science and Engineering 2021年第2期的文章中，Marlene Turner教授等人研究了用于超強激光的等離子體光纖，等離子體可以減弱衍射效應，引導激光光束延長其高強度傳輸的距離。研究團隊展示了迄今為止最長的40 cm高品質放電毛細管。
圖1 20 cm長的放電毛細管波導，可以將電子加速至8 GeV
等離子體波導如何導引激光？透鏡或者光纖可以通過中心最強的折射率分布來偏折激光。對于等離子體來說，則是通過中心最低的電子密度分布來實現。沿徑向逐漸增加電子密度的分布導致徑向的折射率逐漸增大，這對于強激光來說就如同一個超強透鏡或者激光管道一樣。
這樣的等離子體該如何產生呢？目前為止已有多項技術可以實現。本文中研究人員采用了充氣的藍寶石毛細管兩端接上電極，通過高壓放電產生等離子體，放電電流加熱等離子體，在管壁附近冷卻，就使得越靠近管壁的地方溫度越低。由于氣壓是平衡的，所以從中心到兩端的電子密度是逐漸增加的，這就獲得了用于導引激光束的超強波導。
不同于靜態的玻璃透鏡或者光纖，該等離子體波導在每個脈沖中都會重新建立一次。因此，研究人員詳細研究了每次放電的參數變化，并且展示了非常出色的穩定性和可重復性。這對于激光尾場加速中多參數變化的加速束流來說十分重要。研究人員發現不同放電過程中波導參數變化低于1%，每次通道內的密度分布十分接近。這意味著每個激光脈沖將會以同樣的方式沿同樣路徑在波導中傳輸。
“本工作展示了毛細管可以產生非常穩定的等離子體，這表明加速器性能中觀測到的漲落主要源于激光驅動的漲落，需要非常即時的激光反饋控制以保證穩定性。”加州LBNL加速器技術和應用物理部門主任Cameron Geddes博士對這項工作給出了如上評價。
對玻璃透鏡形狀的精確控制決定了光學性能，但是控制等離子體達到同樣的水平卻是一個挑戰。理想情況下，電子密度分布呈拋物線型，可事實上非常遠離通道軸的地方已經不再是拋物線。研究人員發現這在等離子體作為望遠鏡系統增大光束聚焦焦斑中十分重要。本文的研究人員通過非常精確的控制，將分布在激光焦斑附近、呈拋物線型的等離子體用于導引激光，這就使得光束的傳播過程中光束品質不會下降。放電毛細管波導已經在激光尾場加速器中獲得了高能電子。該研究團隊開發的40 cm長的波導預計可以將截止能量推到更高水平。
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