北京大學核物理與核技術國家重點實驗室•應用物理與技術研究中心顏學慶教授、陳佳洱院士、賀賢土院士與合作者近期在激光加速－強場物理中又取得了重要研究進展，發表了題目為“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，用于提高激光的對比度、聚焦光強和脈沖整形，對強場激光物理的發展將產生重要影響。
理論和加速實驗研究表明，激光加速梯度可以達到100GV/m以上（比常規射頻加速器高3~6個量級）。然而由于理論和技術的限制，激光加速離子的有效長度很短，實驗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現超短超強激光與固體靶相互作用時存在一種穩相加速機制(PRL, 100, 135003 (2008); PRL. 102, 239502 (2009)); PRL 102, 239502 (2009)：即當激光歸一化光強與膜片歸一化厚度相當時，圓偏振激光可以如常規加速器一樣對離子進行加速和縱向聚束，從而可以產生高品質的高能單色離子。
通過國際合作，我們在多次實驗中成功地證實了穩相加速機制的存在和優點（PRL 103, 245003 (2009); PRL 107, 115002 (2011)）。這些實驗雖然證實了該方法可以大幅度提高離子束的能量、束流品質和束流強度。研究表明該方法加速質子到100MeV需要1021W/cm2以上的聚焦光強，薄膜靶對激光的信燥比也提出了極高的要求（>1010 @10ps），對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，可以對激光脈沖實現很強的橫向聚焦，大幅度提高激光光強，縮短脈沖上升時間和改善脈沖的對比度。審稿人評論認為這是一個新的突破：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途徑來提高激光的對比度或者降低薄膜靶對激光對比度的要求，同時大大提高激光的聚焦光強。3年級博士生王鴻勇和重點實驗室優秀博士后林晨在該研究中做出了重要貢獻。
該項研究得到國家自然科學杰出青年基金、基金委重點項目和863項目的資助。還得到了核物理與核技術國家重點實驗室和北京大學應用物理與技術研究中心資助。
相關研究背景：
粒子加速器從誕生至今推動它發展的根本動力在于探求人類面臨的四大基本問題即：物質、宇宙、生命的基本構成和運動規律和人類思維的運行規律。剛剛建成的世界上最大的加速器強子對撞機LHC把質子加速到TeV以用于尋找質量之源－Higgs粒子和檢測標準模型。傳統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27km。
為了研究暗物質、超對稱的破缺等前沿物理問題，科學家們還需要能量比LHC高千倍的 PeV 加速器，基于常規射頻加速技術建造這樣的加速器需要圍繞地球一圈，這是難以實現的。由于傳統加速器的局限性及其高昂的造價，在過去的幾十年里物理學家一直在探索新的粒子加速原理，以期在較短的距離內將粒子加速到很高能量。
隨著超短超強激光技術的發展，激光聚焦光強可以達到1018W/cm2以上，對應的電場高達1012V/m。這樣強的激光與等離子體相互作用時，由于等離子體本身是一個電離的狀態，不存在擊穿問題，產生的加速電場可以比常規加速器至少高出千倍以上，可以更加經濟地實現超高能離子加速。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大的“離子顯微鏡”，從而為探索暗物質暗能量和超對稱缺失等最前沿物理問題提供所必須的工具。
同時，激光驅動產生的離子束具有能量高、脈沖短（~ps）、尺寸小（微米）、方向性好以及轉換效率高等特點，也具有很高的時間和空間分辨率，在離子束“快點火”核聚變方案、質子束成像和癌癥診斷與治療等方面具有廣泛的應用前景。
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