用于高强度激光器的前所未有的等离子体透镜

高功率激光脉冲聚焦于小光斑，达到难以置信的强度，实现了从科学研究到工业和医学的各种应用。例如，在伯克利实验室（Berkeley Lab Laser Accelerator，BELLA）中心，强度是建造比达到相同能量的传统粒子加速器短数千倍的粒子加速器的关键。然而，激光等离子体加速器（LPA）需要持续的强度超过许多厘米，而不仅仅是由于衍射而迅速膨胀的光斑焦点。

为了达到持续的强度，能源部劳伦斯·伯克利*家实验室（伯克利实验室）的贝拉中心（BELLA Center）使用薄的中空结构或“毛细管”，其中包含一个等离子体来传输光脉冲。贝拉中心的科学家们一直在推动越来越长的毛细血管，因为他们努力用LPA获得更高的光束能量。

他们最新的工作以比以往任何时候都更高的精度表明，这些等离子体波导极为稳定，具有可重复的高质量，并且这些特性可以在长达40厘米的距离内保持。它证实，随着贝拉中心向更高能量的方向发展，LPA的这项关键技术可以扩大规模，受益于从生物医学研究和治疗到研究设施自由电子激光光源等潜在应用。

这项由博士后学者玛琳·特纳（Marlene Turner）和参谋科学家安东尼·冈萨尔维斯（Anthony Gonsalves）共同领导的工作在《高功率激光科学与工程》杂志上发表的一项研究中进行了描述。

加速器技术和应用物理部主任Cameron Geddes说：“这项工作表明，毛细管可以产生极为稳定的加速等离子体目标，观测到的加速器性能变化主要是由激光波动驱动的，这表明需要主动激光反馈控制。”，贝拉中心的上级组织。

等离子体通道为强大的脉冲提供一致的引导

光纤可以传输数千公里的激光束脉冲，这是现代计算机网络所熟悉的原理。然而，由于贝拉中心使用了高强度的激光（比地球表面的太阳光强度高20个数量级），电子几乎会在瞬间被激光场从其母原子中移除，从而破坏玻璃纤维等固体材料。解决方案是使用等离子体，一种电子已经从原子中移除的物质状态，作为“纤维”

贝拉中心已经使用等离子体引导激光脉冲穿越长达20厘米的距离，以获得迄今为止最高的激光驱动粒子能量。等离子体是由毛细管内的放电产生的。这就是电子“冲浪”激光脉冲产生的超高电场波的地方。持续关注的时间越长，他们在旅程结束时走得越快。

然而，放电中的气体击穿是一种剧烈的、基本上不受控制的事件（想象一次微小的、受限的雷击）。在贝拉中心绘制一条通往更高能量和精确控制的道路时，研究人员需要知道从一个激光脉冲到另一个激光脉冲的导波特性的再现性，以及每个激光脉冲的导波性能。

为了给出类似于光纤的导波效果，等离子体密度应在中心最低，其轮廓在数学上描述为抛物线。Gonsalves说：“我们以前所未有的精度证明，等离子体的轮廓确实是非常抛物线的，超过了它们设计用来引导的激光脉冲光斑大小。”。“这允许脉冲在波导管中传播，而不会降低质量。”

其他类型的等离子体波导（有几种方法可以制作）也可以使用这些方法进行高精度测量。

测量精度对于研究从一个激光发射到另一个激光发射的密度分布变化程度也是理想的，因为尽管毛细管是耐用的，但其中的导波等离子体每次都会重新形成。该团队发现了卓越的稳定性和再现性。

BELLA中心主任Eric Esarey说：“这些结果，加上我们正在进行的机器学习技术辅助下的主动反馈工作，是提高激光等离子体加速器稳定性和可用性的一大步。”（稳定激光波动的主动反馈也是贝拉中心研发的主题。）

引导激光脉冲照亮了前进的道路

例如，激光等离子体加速技术可以降低粒子加速器的尺寸和成本，提高医院和大学的可用性，并最终为高能物理的下一代粒子对撞机带来这些好处。将粒子束能量提高到目前80亿电子伏（GeV）以上的关键之一是使用更长的加速通道；另一种是“暂存”，即使用一个加速模块的输出作为另一个模块的输入。验证发生加速的等离子体通道的质量以及该质量的一致性和再现性，可以对这些计划的技术基础投下信任票。

除了证明这种基于毛细管的波导具有高质量和一致性外，这项工作涉及的波导长度是用于实现破纪录能量的波导的两倍。特纳说：“我们现在开发的40厘米长的精密波导可以将这些能量推得更高。”