超強激光作為(wei) 一種獨特的能量來源，在科學研究、工業(ye) 以及醫學等諸多方麵發揮著關(guan) 鍵作用。為(wei) 了獲得高強度激光脈衝(chong) ，光束一般會(hui) 在空間內(nei) 匯聚到一個(ge) 非常小的尺寸，匯聚之後由於(yu) 衍射效應會(hui) 很快發散開來。然而在諸如激光尾場加速等領域需要激光在一個(ge) 相當長的距離維持較高的光強，由勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室（LBNL）的科學家Marlene Turner領導的一項研究延伸到了這個(ge) 領域。

在激光尾場加速中，超強激光用於(yu) 激發等離子體(ti) 中的靜電波，帶電粒子可以在靜電波中加速，類似於(yu) 在海麵上衝(chong) 浪。這種加速器最為(wei) 特殊的地方在於(yu) ：帶電粒子獲得一定能量所需的加速距離比傳(chuan) 統加速方式縮短數千倍。但是如果沒有對激光束進行引導，其在焦點之後會(hui) 很快散開，大大降低了激光脈衝(chong) 的強度以及可以驅動高強度尾場的加速距離。所以加速距離的縮短會(hui) 導致粒子不能獲得最佳的加速能量。

對於(yu) 低光強脈衝(chong) ，解決(jue) 衍射的手段是光纖玻璃，它可以將激光光束導引數千公裏，然而高光強激光會(hui) 破壞光纖。在High Power Laser Science and Engineering 2021年第2期的文章中，Marlene Turner教授等人研究了用於(yu) 超強激光的等離子體(ti) 光纖，等離子體(ti) 可以減弱衍射效應，引導激光光束延長其高強度傳(chuan) 輸的距離。研究團隊展示了迄今為(wei) 止最長的40 cm高品質放電毛細管。

圖1 20 cm長的放電毛細管波導，可以將電子加速至8 GeV

等離子體(ti) 波導如何導引激光？透鏡或者光纖可以通過中心最強的折射率分布來偏折激光。對於(yu) 等離子體(ti) 來說，則是通過中心最低的電子密度分布來實現。沿徑向逐漸增加電子密度的分布導致徑向的折射率逐漸增大，這對於(yu) 強激光來說就如同一個(ge) 超強透鏡或者激光管道一樣。

這樣的等離子體(ti) 該如何產(chan) 生呢？目前為(wei) 止已有多項技術可以實現。本文中研究人員采用了充氣的藍寶石毛細管兩(liang) 端接上電極，通過高壓放電產(chan) 生等離子體(ti) ，放電電流加熱等離子體(ti) ，在管壁附近冷卻，就使得越靠近管壁的地方溫度越低。由於(yu) 氣壓是平衡的，所以從(cong) 中心到兩(liang) 端的電子密度是逐漸增加的，這就獲得了用於(yu) 導引激光束的超強波導。

不同於(yu) 靜態的玻璃透鏡或者光纖，該等離子體(ti) 波導在每個(ge) 脈衝(chong) 中都會(hui) 重新建立一次。因此，研究人員詳細研究了每次放電的參數變化，並且展示了非常出色的穩定性和可重複性。這對於(yu) 激光尾場加速中多參數變化的加速束流來說十分重要。研究人員發現不同放電過程中波導參數變化低於(yu) 1%，每次通道內(nei) 的密度分布十分接近。這意味著每個(ge) 激光脈衝(chong) 將會(hui) 以同樣的方式沿同樣路徑在波導中傳(chuan) 輸。

“本工作展示了毛細管可以產(chan) 生非常穩定的等離子體(ti) ，這表明加速器性能中觀測到的漲落主要源於(yu) 激光驅動的漲落，需要非常即時的激光反饋控製以保證穩定性。”加州LBNL加速器技術和應用物理部門主任Cameron Geddes博士對這項工作給出了如上評價(jia) 。

對玻璃透鏡形狀的精確控製決(jue) 定了光學性能，但是控製等離子體(ti) 達到同樣的水平卻是一個(ge) 挑戰。理想情況下，電子密度分布呈拋物線型，可事實上非常遠離通道軸的地方已經不再是拋物線。研究人員發現這在等離子體(ti) 作為(wei) 望遠鏡係統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製，將分布在激光焦斑附近、呈拋物線型的等離子體(ti) 用於(yu) 導引激光，這就使得光束的傳(chuan) 播過程中光束品質不會(hui) 下降。放電毛細管波導已經在激光尾場加速器中獲得了高能電子。該研究團隊開發的40 cm長的波導預計可以將截止能量推到更高水平。