近日，劳伦斯伯克利国家实验室的科学家利用激光和超音速气体层，在短短30厘米的距离内将高质量电子束加速至100亿电子伏，光束能量和质量有了显著的提高。

使用拍瓦（PW）激光器在不到一英尺的距离内加速高质量10千兆电子伏 （GeV） 电子束，是激光等离子体加速领域的一大进步。激光等离子体加速器有朝一日可以降低高能物理、医学和材料科学中使用的粒子加速器的尺寸和成本。

该团队使用双激光系统来产生光束。第一束激光充当钻头，加热等离子体并形成通道以引导驱动激光，从而加速电子。等离子体通道引导激光能量的方式与光纤电缆引导光线的方式非常相似，使激光脉冲在长距离上聚焦。
研究人员使用一系列气体喷射器来塑造等离子体。喷射器形成一片以超音速行进的气体，激光穿过气体片形成等离子体通道。这种设置使研究人员能够微调等离子体并修改其形状。

由于其弹性，气体片可以扩展到非常高的重复率——这对包括粒子对撞机在内的未来应用来说是一个潜在的选择。研究人员通过逐个调整等离子体通道的长度来测量整个通道引导激光等离子体加速器的高强度激光传播。他们逐帧观察了PW激光如何与长等离子体通道相互作用。
这是第一次能够捕捉到加速器内部每个点发生的情况，逐帧展示激光和等离子波在高功率下是如何演变的。研究人员从一个没有暗电流的加速结构中创建了一束高效的光束。

研究员杰伦·范蒂尔伯格表示：如果有暗电流，它们会吸收激光能量而不是加速电子束，我们已经达到了可以控制加速器并抑制不良影响的程度，因此我们可以在不浪费能量的情况下制造出高质量的光束。当我们思考未来的理想激光加速器时，这一点至关重要。

研究小组观察到等离子体通道前12厘米左右高阶模式的横向能量传输，随后是准匹配传播，以及激光能量逐渐、无暗电流地耗尽到尾流场。研究人员量化了目前可用的PW级激光系统的激光到尾流传输效率限制，并通过模拟展示了如何通过控制激光模式来改善加速光束参数。

使用聚焦在气体上的双激光束产生的高质量电子束具有极高的能量水平，为未来的高效机器开辟了道路。

研究员亚历山大·皮克斯利表示：我们已经从8GeV跃升至10GeV，但我们也通过改变所用技术显著提高了质量和能源效率，这是迈向未来等离子体对撞机的里程碑式一步。

该技术可用于产生用于癌症治疗的粒子束，或作为自由电子激光器的电源，可用于制造先进材料或提供对化学和生物过程的洞察。

激光等离子体加速器可用于产生μ子束，以对难以探索的区域进行成像，例如金字塔、火山、矿藏或核反应堆内部。未来，该技术可以为高能粒子对撞机提供动力，以寻找新粒子并深入了解宇宙的力量。进行实验的伯克利实验室激光加速器中心 （BELLA） 的科学家们正在努力通过在分级加速器系统中将构建模块连接在一起来开发这些非常高能的机器。

要创建分阶段系统，可靠的诊断必不可少。可靠的分析有助于科学家了解等离子体、激光和电子束的行为，并让科学家精确控制在几分之一秒内发生的步骤的时间和同步。双激光系统提供的设置和精确控制使研究人员能够研究激光等离子体加速的进展并创建高效的光束。

通过这项研究，科学家利用精密诊断技术对激光等离子体进行出色控制，提高了极短距离内高质量光束的粒子能量和制造效率。