BELLA中心（Berkeley Lab Laser Accelerator，伯克利激光加速器中心)將一種20厘米長的毛細管放電波導(dǎo)管用于引導(dǎo)高強度激光脈沖，并創(chuàng)造加速電子新記錄——80億電子伏特(GeV)。圖片：Thor Swift/Berkeley Lab
聚焦到極小斑點的高功率激光脈沖可達到超高強度，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。在伯克利實驗室BELLA激光加速器中心，強度正是建造粒子加速器——比達到相同能量的傳統(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)需要較長加速器產(chǎn)生持續(xù)強度，而不僅僅是因為衍射就迅速擴大的焦斑。
為了實現(xiàn)持續(xù)的強度，能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的BELLA中心使用包含等離子體的薄中空結(jié)構(gòu)或“毛細管”來傳輸光脈沖。該中心的研究人員一直在朝著越來越長的毛細管努力，用他們的激光等離子體加速器爭取更高的光束能量。
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達40厘米的波導(dǎo)內(nèi)保持。這意味著隨著BELLA中心向更高能量推進，這種用于低功率放大器的關(guān)鍵技術(shù)可以規(guī)模化應(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。
這項工作由博士后學(xué)者Marlene Turner領(lǐng)導(dǎo)，他與科研人員Anthony Gonsalves進行合作，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：“這項工作證明毛細管可以產(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驅(qū)動，表明需要主動激光反饋控制。
光纖可以將激光束脈沖傳輸數(shù)千公里，這在現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)中非常常見。然而，BELLA中心使用的高激光強度(比地球表面的太陽光強20個數(shù)量級)，激光場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引導(dǎo)長達20厘米的激光脈沖，以實現(xiàn)迄今為止最高的激光驅(qū)動粒子能量。等離子體由毛細管內(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波里“沖浪”。激光聚焦持續(xù)時間越長，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微小的、受限的雷擊，本質(zhì)上是一個劇烈且基本上不受控制的過程。該中心的研究人員就需要弄清楚一個激光脈沖到另一個激光脈沖的波導(dǎo)特性的可再現(xiàn)性如何，以及每個激光脈沖的引導(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，在輪廓則呈現(xiàn)拋物線。Gonsalves說：“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，還可以高精度測量其他類型的等離子體波導(dǎo)。測量精度對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，因為盡管毛細管很耐用，但其中的波導(dǎo)等離子體每次都會重新形成。該團隊用過研究發(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：“這些結(jié)果以及我們正在進行的借助機器學(xué)習(xí)技術(shù)的主動反饋工作，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撞機提供可能。提高粒子束能量并使其超過目前的80億電子伏特記錄的關(guān)鍵方法有兩種——其一是使用更長的加速通道，其二則是“分段”，即使用一個加速模塊的輸出作為另一個加速模塊的輸入。驗證加速發(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)性可以為未來的研究打下堅實的基礎(chǔ)。
Marlene Turner正在檢查一根40厘米長的毛細管
除了研究這種基于毛細管的波導(dǎo)具有高質(zhì)量和穩(wěn)定的質(zhì)量之外，該團隊還將波導(dǎo)長度延伸至40厘米——現(xiàn)有破紀(jì)錄能量的波導(dǎo)的兩倍。Turner對此十分自信，她認(rèn)為現(xiàn)在開發(fā)的40厘米長的精密波導(dǎo)可以將這些能量推得更高。這項工作得到了美國能源部科學(xué)辦公室、高能物理辦公室的支持。
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