超強(qiáng)激光作為一種獨特的能量來源，在科學(xué)研究、工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等諸多方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。為了獲得高強(qiáng)度激光脈沖，光束一般會在空間內(nèi)匯聚到一個非常小的尺寸，匯聚之后由于衍射效應(yīng)會很快發(fā)散開來。然而在諸如激光尾場加速等領(lǐng)域需要激光在一個相當(dāng)長的距離維持較高的光強(qiáng)，由勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的科學(xué)家Marlene Turner領(lǐng)導(dǎo)的一項研究延伸到了這個領(lǐng)域。

在激光尾場加速中，超強(qiáng)激光用于激發(fā)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(tǒng)加速方式縮短數(shù)千倍。但是如果沒有對激光束進(jìn)行引導(dǎo)，其在焦點之后會很快散開，大大降低了激光脈沖的強(qiáng)度以及可以驅(qū)動高強(qiáng)度尾場的加速距離。所以加速距離的縮短會導(dǎo)致粒子不能獲得最佳的加速能量。

對于低光強(qiáng)脈沖，解決衍射的手段是光纖玻璃，它可以將激光光束導(dǎo)引數(shù)千公里，然而高光強(qiáng)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(qiáng)激光的等離子體光纖，等離子體可以減弱衍射效應(yīng)，引導(dǎo)激光光束延長其高強(qiáng)度傳輸?shù)木嚯x。研究團(tuán)隊展示了迄今為止最長的40 cm高品質(zhì)放電毛細(xì)管。

圖1 20 cm長的放電毛細(xì)管波導(dǎo)，可以將電子加速至8 GeV

等離子體波導(dǎo)如何導(dǎo)引激光？透鏡或者光纖可以通過中心最強(qiáng)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(xiàn)。沿徑向逐漸增加電子密度的分布導(dǎo)致徑向的折射率逐漸增大，這對于強(qiáng)激光來說就如同一個超強(qiáng)透鏡或者激光管道一樣。

這樣的等離子體該如何產(chǎn)生呢？目前為止已有多項技術(shù)可以實現(xiàn)。本文中研究人員采用了充氣的藍(lán)寶石毛細(xì)管兩端接上電極，通過高壓放電產(chǎn)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(dǎo)引激光束的超強(qiáng)波導(dǎo)。

不同于靜態(tài)的玻璃透鏡或者光纖，該等離子體波導(dǎo)在每個脈沖中都會重新建立一次。因此，研究人員詳細(xì)研究了每次放電的參數(shù)變化，并且展示了非常出色的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。這對于激光尾場加速中多參數(shù)變化的加速束流來說十分重要。研究人員發(fā)現(xiàn)不同放電過程中波導(dǎo)參數(shù)變化低于1%，每次通道內(nèi)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(dǎo)中傳輸。

“本工作展示了毛細(xì)管可以產(chǎn)生非常穩(wěn)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(qū)動的漲落，需要非常即時的激光反饋控制以保證穩(wěn)定性。”加州LBNL加速器技術(shù)和應(yīng)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(xué)性能，但是控制等離子體達(dá)到同樣的水平卻是一個挑戰(zhàn)。理想情況下，電子密度分布呈拋物線型，可事實上非常遠(yuǎn)離通道軸的地方已經(jīng)不再是拋物線。研究人員發(fā)現(xiàn)這在等離子體作為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)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(dǎo)引激光，這就使得光束的傳播過程中光束品質(zhì)不會下降。放電毛細(xì)管波導(dǎo)已經(jīng)在激光尾場加速器中獲得了高能電子。該研究團(tuán)隊開發(fā)的40 cm長的波導(dǎo)預(yù)計可以將截止能量推到更高水平。