圖 1   歐洲大型強子對撞機（LHC）與(yu) 北京大學超小型激光等離子體(ti) 加速器（CLAPA）

傳(chuan) 統粒子加速器由於(yu) 受到材料電離擊穿閾值的限製，其加速梯度被限製在100 MV/m。費米曾斷言，若用傳(chuan) 統的加速器把粒子能量加速到PeV量級即1015電子伏特，加速器的周長需繞地球一周！因此龐大的占地麵積和昂貴的造價(jia) 成為(wei) 了製約傳(chuan) 統加速器向更高能量發展的巨大瓶頸，於(yu) 是找到突破傳(chuan) 統加速梯度限製的新加速機製迫在眉睫。

激光等離子體(ti) 加速LPA是1979年由田島俊樹和道森提出的全新加速機製。近些年來，基於(yu) 此而建造激光加速器成為(wei) 激光等離子體(ti) 領域科學家們(men) 的目標。例如，北京大學超小型激光等離子體(ti) 加速器CLAPA便以在一間中等教室大小的房間內(nei) ，獲得能量高達100 MeV 的質子和 GeV 的電子為(wei) 目標。激光加速器基於(yu) 什麽(me) 樣的原理？發展到了哪個(ge) 階段？麵臨(lin) 著什麽(me) 樣的挑戰？本文將逐一揭曉。

自從(cong) 1960年梅曼發明激光技術以來，激光以其單色性好、相幹性好和方向性好等特點成為(wei) 現代人類生活和科學研究中有巨大價(jia) 值的光源。在過去的50多年裏，人們(men) 一直在技術上追求更高強度的激光。1985年莫羅等人提出的超短脈衝(chong) 啁啾放大(CPA)技術克服了激光器中放大介質的損傷(shang) 閾值限製，把激光的強度提高了6個(ge) 量級以上。目前，世界先進的超短超強激光器產(chan) 生的激光，空間尺度小到μm(10-6m)量級， 脈衝(chong) 短至fs(10- 15s)量級，最高光強可達1022 W/cm2。 現在正在進行的歐洲ELI工程計劃致力於(yu) 將激光強度提高至1024 W/cm2。

當激光強度大於(yu) 1014 W/cm2 時，絕大多數物質都會(hui) 被激光的電場電離，形成等離子體(ti) 。等離子體(ti) 是由處在非束縛態的帶電粒子組成的多粒子體(ti) 係，它與(yu) 固態、液態、氣態一起構成自然界物質的四種基本形態。宇宙中99%的物質都是以等離子態存在的。超短超強激光與(yu) 等離子體(ti) 相互作用能夠激發等離子體(ti) 的集體(ti) 運動，恰當的等離子集體(ti) 運動能夠使等離子體(ti) 中的帶電粒子獲得極高的能量。激光的光強與(yu) 等離子體(ti) 中自由電子的密度是激光與(yu) 等離子相互作用的兩(liang) 個(ge) 重要參數。對於(yu) 波長為(wei) 一微米的激光，當其光強大於(yu) 1.37 ×1018W/cm2時，電子在激光場內(nei) 的振動速度將接近光速，同時會(hui) 被沿激光傳(chuan) 播方向推動。這一光強被稱為(wei) 相對論光強閾值。如果等離子體(ti) 中的自由電子密度超過1.1 × 1021 cm-3 時，對於(yu) 波長為(wei) 一微米的激光，激光會(hui) 被反射； 而當自由電子密度低於(yu) 這一密度值時，激光能夠在等離子體(ti) 中傳(chuan) 播，因此這個(ge) 密度值被稱為(wei) 臨(lin) 界密度。需要注意的是，相對論光強閾值與(yu) 激光的波長成反比，而臨(lin) 界密度與(yu) 激光波長的平方成反比。加速不同種類的帶電粒子，所采用的等離子體(ti) 集體(ti) 運動的模式有很大的不同，下麵就以電子和質子為(wei) 例，介紹激光等離子體(ti) 加速應用最廣泛的兩(liang) 種加速原理。

當相對論光強的激光在低於(yu) 臨(lin) 界密度的等離子體(ti) 中傳(chuan) 播時，等離子體(ti) 中的自由電子會(hui) 被激光推動，並在激光通過後受靜電回複力的作用發生局域的振蕩，產(chan) 生周期性變化的電場。隨著激光的傳(chuan) 播，激光的後方會(hui) 不斷產(chan) 生這種周期性變化的電場，這種電場尾隨著激光傳(chuan) 播，故被稱作尾場。在通常用於(yu) 加速的等離子體(ti) 密度(1017 ∼ 1019 cm-3 )下，尾場的幅值高達幾十到幾百 GV/m。尾場的傳(chuan) 播速度略低於(yu) 真空中光速，自由電子密度越低，尾場的速度越接近光速。由於(yu) 尾場是周期性變化的，則對電子既有加速作用也有減速作用。為(wei) 了讓電子能夠受到較長時間的加速作用，電子的運動速度和尾場的傳(chuan) 播速度要近乎相等。為(wei) 了便於(yu) 區分，我們(men) 通常將進行局域靜電振蕩且形成尾場的電子稱作背景電子，而將與(yu) 尾場一起運動受到加速的電子稱為(wei) 加速電子。如何得到加速電子即電子的注入問題是激光等離子體(ti) 加速器中的一個(ge) 熱點問題。人們(men) 提出了很多種注入機製來得到加速電子：將背景電子轉化為(wei) 加速電子的自注入；利用高Z原子內(nei) 殼層電子電離的電離注入；利用等離子體(ti) 密度不均勻分布的密度梯度注入等等。通過注入，加速電子以一定的初速度保持跟尾場共同運動，便能在運動中持續獲得加速，最終電子的速度超過尾場的速度慢慢進入到尾場減速的部分，停止加速。因此激光尾場加速電子的過程為(wei) ：1. 激光在等離子體(ti) 中形成尾場；2. 加速電子注入；3. 加速電子持續加速；4. 加速電子進入減速區前引出。

圖 2   激光尾場加速示意圖

質子的靜止質量約是電子的兩(liang) 千倍，電子可以很容易注入到尾場中，而質子卻很難追上尾場的速度。通常對質子加速采用的是高於(yu) 臨(lin) 界密度的等離子體(ti) 中的集體(ti) 運動模式。由於(yu) 激光器技術的限製，激光脈衝(chong) 產(chan) 生之前會(hui) 有持續時間在皮秒到納秒的預脈衝(chong) 。當激光與(yu) 固體(ti) 材料(靶)作用時，預脈衝(chong) 會(hui) 先作用到材料前表麵上，產(chan) 生預電離和膨脹，在材料的前表麵生成具有類似指數密度分布的預等離子體(ti) 。當激光的主脈衝(chong) 到來之後，預等離子體(ti) 中的電子被迅速加熱，並向材料的後表麵傳(chuan) 輸。材料的後表麵由於(yu) 負電荷富於(yu) 正電荷，產(chan) 生電荷分離場，被稱為(wei) 鞘層電場。鞘層電場對質子起加速作用，並且在時間和空間上變化比較緩慢，有利於(yu) 材料後表麵的質子(通常來自材料吸附的水蒸氣和含氫的油汙)獲得較長時間的加速。因此靶後鞘層電場加速的過程為(wei) ：1.預脈衝(chong) 產(chan) 生預等離子體(ti) ；2.主脈衝(chong) 產(chan) 生熱電子；3.熱電子傳(chuan) 播到靶後形成鞘層電場；4.靶後質子被鞘層電場加速。

圖 3   靶後鞘層電場加速示意圖

等離子體(ti) 中的集體(ti) 運動模式多種多樣，這裏我們(men) 隻介紹了其中最常見的兩(liang) 種加速機製。對於(yu) 電子加速，還有激光直接加速、拍頻波加速、自調製尾場加速以及束流驅動尾場加速等。對於(yu) 離子加速，還有光壓加速、衝(chong) 擊波加速、相對論自透明加速等。

激光等離子體(ti) 加速器目前還處在實驗研究的階段，距離實際應用尚有一定的距離。但是科研工作者在不斷的努力下，已經取得了令人矚目的進展。

在20世紀90年代末期，高功率鈦藍寶石激光的出現使激光的功率顯著提高，脈衝(chong) 長度也縮短到了25fs ~ 50fs，激光電子加速隨之進入到標準的激光尾波場加速階段。2002年，巴黎綜合理工學院 LOA實驗室的科學家將脈衝(chong) 長度35fs，強度3×1018 W/cm2 的激光聚焦到3mm的噴嘴氣體(ti) 上，將加速電子能量提高到了200 MeV，它標誌著 LPA 電子的能量正式進入到百MeV 領域。從(cong) 2004 年至今，大多數的LPA實驗出於(yu) 空泡機製,而產(chan) 生的準單能高能電子的結果更是層出不窮。2004年法國的LOA、 英國的RAL 和美國的 LOASIS 三個(ge) 實驗室分別在各自的激光係統上進行了空泡加速實驗，其結果同時發表在當年九月的 Nature 雜誌上，引起了世界範圍內(nei) 的廣泛關(guan) 注。這些實驗最重要的意義(yi) 是得到了準單能和準直的電子束，為(wei) 激光尾場加速電子束的應用打開了希望之門。從(cong) 2006年至今，各國科學家都在為(wei) 獲得高能量的電子束而努力。2014年，美國勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室的科研工作者們(men) 利用特殊設計的放電毛細管能夠產(chan) 生獨特的等離子體(ti) 密度分布，從(cong) 而導致激光傳(chuan) 播軸線上的密度比外圍的密度低。這樣的等離子體(ti) 密度分布對激光有導引作用，能夠使得激光傳(chuan) 播幾個(ge) 厘米後光強也不會(hui) 下降太多。通過利用 9cm長的放電毛細管來導引峰值功率高達300TW(1012 W)的激光，他們(men) 得到了中心能量高達4.2GeV，能散6%的電子束。這是目前激光尾場加速中獲得的最高電子能量記錄。2016年，他們(men) 又創造性地實現兩(liang) 束激光級聯加速，即第一束激光加速得到的電子束注入第二束激光形成的尾場獲得二次加速。雖然目前實驗中二次加速獲得的能量不高，但這是向著實現幾十級甚至上百級級聯加速獲得百 GeV 高能電子束邁出的重要一步。

圖 4   激光等離子體(ti) 加速得到 4.2 GeV 電子束

我國在激光尾場加速上起步較晚，但近兩(liang) 年也取得了不俗的成果。2015年上海交通大學通過自截斷電離注入的方式得到了能量超過 1GeV 的準單能電子束。清華大學曾在實驗中獲得了絕對能散小於(yu) 1 MeV 的電子束。2016年上海光機所采用獨特的兩(liang) 級氣體(ti) 噴嘴，得到了六維相空間亮度可以媲美傳(chuan) 統直線加速器的單能電子束。

激光離子加速發展晚於(yu) 電子加速，目前也處於(yu) 蓬勃發展中。2000年美國利弗莫爾國家實驗室的科學家將超強激光打在金屬薄膜靶上，在靶背法線方向得到最高能量達58 MeV 的質子束引起了廣泛關(guan) 注。這次實驗中得到的加速離子的能譜特性並不好，基本呈現出指數下降譜的特征。降低離子束的能散，獲得準單能的離子束成為(wei) 激光離子加速的重要突破方向。2006年德國耶拿大學IOQ 實驗室在 3×1019W/cm2 的激光強度下，利用雙層靶(5 微米厚的鈦膜，附著0.5微米厚的聚甲基丙烯酸甲脂獲得了中心能量為(wei) 1.2 MeV，能散度為(wei) 25%的準單能質子束。同年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室也利用複合靶得到了能散在 17%，能量在3MeV/u 的準單能離子束。這兩(liang) 個(ge) 工作同時發表於(yu) 當年一月的 Nature 雜誌上。2016年德國亥姆霍茲(zi) 重離子研究中心的科研工作者將能量高達200J，脈衝(chong) 長度 500 fs 的激光聚焦到 0.9 μm 厚的固體(ti) 靶上，得到了能量高達 85 MeV的質子束。而同年，來自韓國光州科學技術院的科研工作者利用能量為(wei) 27J，脈衝(chong) 長度 30fs 與(yu) 15 nm厚的固體(ti) 靶相互作用，得到了93MeV 的高能質子。2015年，北京大學與(yu) 光州科學技術院合作在光州得到了能量接近50MeV 的質子束和高達600 MeV 的碳離子束。上海交通大學、上海光機所、中科院物理所、中國工程物理研究院和北京大學都曾在國內(nei) 的激光器上獲得過能量從(cong) 幾MeV 到十幾MeV 的質子。

近幾年，激光等離子體(ti) 加速器雖然取得了長足的進步，但也麵臨(lin) 著一些問題與(yu) 挑戰。對於(yu) 電子加速而言，目前電子束的能量已經滿足如自由電子激光等應用的需求，但電子束的其他品質，如能散、電量和發射度等，還達不到這些應用的要求，因此阻礙了激光尾場加速電子的實際應用。對於(yu) 離子加速而言，由於(yu) 離子能量低，還不能滿足癌症治療的要求，僅(jin) 能開展一些對離子能量需求較低的應用，比如生物、材料輻照等。

相比於(yu) 傳(chuan) 統加速器，激光等離子體(ti) 加速器具有加速梯度高、尺寸小以及造價(jia) 低的特點。激光等離子體(ti) 加速器未來至少在以下三個(ge) 方向大有用武之地。

自由電子激光是高能電子在波蕩器中扭擺產(chan) 生的相幹X射線激光。自由電子激光在化學、材料、原子物理和生物等研究領域、醫療以及工業(ye) 上都有著重要的應用。傳(chuan) 統用於(yu) 自由電子激光的直線加速器長度都在幾百到幾千米，同時造價(jia) 昂貴。激光等離子體(ti) 加速器能夠很好地解決(jue) 自由電子激光的尺寸和造價(jia) 問題，促進自由電子激光的普及。 同時，激光等離子體(ti) 加速器的束流具有與(yu) 傳(chuan) 統加速器不同的特點，可以促進自由電子激光的發展。

為(wei) 了探索更高能量下的粒子特性，對撞機的能量不斷提高，尺寸也越來越大、造價(jia) 越來越高。而使用激光等離子體(ti) 加速器可以提高加速梯度，顯著減小對撞機的尺寸，並朝更高能量邁進。來自美國勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室的科學家曾提出過基於(yu) 激光等離子體(ti) 加速器的下一代直線正負電子對撞機計劃。他們(men) 設想將100級激光等離子體(ti) 加速器級聯起來，每一級的能量增益達到10 GeV，最終的對撞能量將高達TeV。除了加速電子，通過轉換靶得到的正電子也能夠被加速到 TeV。這樣高能量的正負電子對撞機將會(hui) 為(wei) 我們(men) 打開新物理的大門。

圖 5   激光等離子體(ti) 驅動 TeV 對撞機設想

高能量的質子和重離子在癌症治療上有著重要的應用。目前國內(nei) 僅(jin) 有不到五家質子或重離子癌症治療裝置，而全國每年有上百萬(wan) 癌症患者迫切需要得到治療。激光等離子體(ti) 加速器有望降低癌症治療裝置的造價(jia) 和尺寸，能夠讓質子和重離子癌症治療得到普及，造福社會(hui) 。

在科學家與(yu) 工程師的不斷努力下，激光等離子體(ti) 加速器將繼續取得突破，以上的設想都將可能變為(wei) 現實，激光等離子體(ti) 加速器將大有用武之地。

本文選自《現代物理知識》2017年第5期    時光摘編