Шанхайская оптическая машина впервые в мире достигла крупного прорыва в эксперименте по прямому ускорению сверхмощных вихревых лазерных электронов

Недавно исследовательская группа Национальной ключевой лаборатории сверхмощной лазерной науки и техники Шанхайского института оптической прецизионной механики Китайской академии наук впервые на международном уровне экспериментально подтвердила возможность использования релятивистского лазера Лагеря - Гаусса (LG) для достижения прямого лазерного ускорения (DLA), что позволило создать стабильный, низкоизлучающий и высокоточный ультрабыстрый электронный луч. Этот прогресс преодолел основное узкое место традиционной технологии прямого лазерного ускорения Гаусса и открыл новый путь для итеративного развития передовых областей применения, таких как микроускорители частиц и высокоэнергетические источники излучения. Результаты исследования под названием « Experimental Demonstration of Directionaland Collimated Electron Acceleration with Hollow Laguerre - Gaussian Lasers» опубликованы в Physical Review Letters 137, 025001 (2026).

С быстрой итерацией сверхмощной фемтосекундной лазерной технологии интенсивность лазера перешла на релятивистский уровень (интенсивность > 10 W / cm²). В таких экстремальных физических условиях вещество полностью ионизируется, образуя плазму, состоящую из электронов и ионов. Среди них электроны с очень легким качеством могут быть непосредственно ускорены лазерным электрическим полем, этот процесс называется прямым лазерным ускорением (DLA), является основной основой для многих передовых областей, таких как передовые ускорители, источники излучения высокой энергии, лазерный быстрый огонь, а также наука о секундах. Его технологические прорывы напрямую связаны с процессом развития во многих дисциплинах.

Тем не менее, в течение долгого времени традиционная технология DLA была в ловушке основной проблемы: технология в основном полагается на вертикальный качественный динамический привод лазера Гаусса, но поперечная массированная мощность лазера Гаусса имеет распределение Гаусса, что неизбежно отталкивает электроны в сторону и серьезно препятствует стабильному ускорению электронов, что значительно ограничивает темпы технологии DLA от лаборатории к практическому применению и становится проблемой « застрявшей шеи», которая беспокоит соответствующие области.

Основываясь на предыдущих исследованиях ускорения генерации и привода сверхмощных лазеров LG, команда инновационно расширила структурированное лазерное поле до экспериментальной области электронного ускорения. Среди них лазер Лагеря - Гаусса (LG) с его уникальным распределением интенсивности на полых высотах и внутренним угловым импульсом орбиты (OAM) обеспечивает беспрецедентную возможность для точного управления электронами и становится ключом к преодолению технических узких мест.

Экспериментальные результаты показывают, что лазер LG с поляризацией левого круга имеет уникальное продольное электрическое поле на оптической оси и в сочетании с эффектом сгруппирования поперечного поля образует стабильную структуру ускорения « вакуумной кавитации» - структуру, аналогичную структуре плазменной кавитации в классическом ускорении хвостового поля, которая обеспечивает отличную среду для стабильного и эффективного ускорения электронов.

Этот результат не только заполнил пробел в экспериментальной проверке релятивистской LG - лазерной DLA, но и преодолел узкое место в производительности традиционной технологии лазерного ускорения, значительно улучшил стабильность и квазипрямоту электронного луча и заложил прочную основу для модернизации итерации технологии лазерного ускорения. Кроме того, градиент ускорения в лазерном поле LG пропорционален интенсивности лазера и не имеет ничего общего со сложной плазменной средой на последующих этапах. Эта особенность открывает совершенно новый путь для создания микро - ускоренной структуры микрометрового уровня, которая, как ожидается, позволит « микроускорителям» перейти от концепции к реальности. В будущем, с дальнейшей оптимизацией технологий, эта технология, как ожидается, будет широко использоваться во многих областях, таких как сверхбыстрая физика, материаловедение и медицинская визуализация, и будет способствовать скачкообразному развитию соответствующих дисциплин.

Ссылка:Шанхайская оптическая машина впервые в мире достигла крупного прорыва в эксперименте по прямому ускорению сверхмощных вихревых лазерных электроновШанхайский институт оптических прецизионных машин (цитируется: 8 июля 2026 г.)