High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

要理解这里所描述的工作，首先必须掌握现代粒子物理学面临的基本挑战：如何让微小的粒子运动得极快。几十年来，科学家们一直使用长达数英里的庞大机器来推动电子达到高速。这些机器利用无线电波给粒子一个“踢力”，但它们能施加的力量是有限的。如果你试图在很短的空间内施加过大的推力，机器就会损坏或变得效率低下。这使得这些加速器的尺寸和成本极其巨大，限制了谁能使用它们以及它们能做什么。

一种被称为激光等离子体尾场加速（laser wakefield acceleration）的不同方法，提供了一种将这些机器缩小到房间大小的方法。这种方法不使用无线电波，而是使用射入气体中的强脉冲激光。激光如此强大，以至于它能将电子从气体原子中剥离出来，从而产生等离子体。当激光脉冲在等离子体中移动时，它会将电子推向一旁，在身后留下一个类似于船只在水中航行时留下的尾迹。这个“尾迹”会产生一个强大的电场，能够捕捉其他电子并将它们加速到极高的速度，而距离却非常短。使这一过程高效运行的关键在于，在激光束穿过气体时保持其聚焦状态和强度。如果光束扩散，加速就会停止。长期以来，在长距离内保持如此强大的光束聚焦一直是一个困难且不稳定的问题，通常需要复杂且难以维护、或者容易被激光本身损坏的装置。

捷克共和国 ELI Beamlines 研究设施的研究人员与马里兰大学的同事合作，现在展示了一种解决这一聚焦问题的新方法。他们构建了一个仅使用反射镜来引导激光的实验装置，避免了任何可能被强光束的热量损坏或扭曲的玻璃或透镜。他们的核心创新是一个特殊的反射锥，称为离轴轴向锥（off-axis axicon），它有助于在激光进入气体之前对其进行整形。该装置使他们能够在氦气中创建一个稳定的通道，氦气是相比于实验中常用的氢气而言更安全且易于处理的替代品。

在实验中，团队发射了一个持续时间仅为 30 飞秒（这是一个短到难以想象的时间尺度）的激光脉冲，携带了 13 焦耳的能量。他们将这个脉冲分为两部分。一部分是主驱动脉冲，被聚焦用于加速电子；另一部分被塑造成特殊的环状图案，用以在氦气中创建一个预成型的通道。这个通道就像是为主脉冲提供了一个“中空管道”，使其在穿过气体时保持紧凑的聚焦状态。研究人员在两个不同的速率下测试了该系统。在每秒 0.2 次脉冲的较慢速率下，他们成功地将电子加速到了约 50 亿电子伏特的能量。这是一项显著的成就，表明该方法可以在单级阶段产生高能束流。

该团队还尝试让系统以每秒 3.3 次脉冲的更快速率运行。虽然他们没有以同样的方式测量更高速率下的电子加速情况，但他们证明了激光束可以在等离子体通道中稳定地引导长时间运行，而不会出现系统退化。这是使这些加速器投入实际应用的至关重要的一步，因为更高的重复频率意味着更多的数据和更多可用的束流。使用氦气是一个深思熟虑的选择；与易燃且需要小心处理的氢气不同，氦气是惰性的，在持续运行的设施中工作起来更安全。

结果表明，这种全反射方法是非常稳健的。通过使用反射镜而非透镜，研究人员避免了高功率激光系统经常受到的热畸变困扰。他们发现产生的电子束方向稳定且色散度低，这意味着粒子能够保持在一起形成紧密的束团。电子能量达到了高达 50 亿电子伏特，这与理论预测在这些条件下的数值一致。团队指出，该过程依赖于两个激光脉冲之间特定的时间关系，即在主脉冲到达之前先创建好通道，而他们的系统能够一次又一次地维持这种微妙的平衡。

这项工作并不声称已经解决了粒子加速中的所有问题，但它提供了一条清晰的前行之路。该方法足够简单，不需要对现有的激光设施进行重大改造，因此易于其他研究中心采用。通过证明使用安全气体和耐用光学装置实现稳定、高能加速是可能的，研究人员消除了阻碍这项技术的几个障碍。研究结果表明，未来的加速器可以做得更小、更安全、更可靠，从而可能为医学、材料科学以及基础物理学的进一步发现开启新的应用之门。这次实验的成功不在于单一的戏剧性突破，而在于通过一种简单、耐用的设计，稳步证明了一个难题是可以被解决的。