美国物理学会
无注入和有注入的靶室照片以及将超强激光脉冲导入20厘米长波导的照片
激光引导导致多GeV电子加速，在等离子体波导的出口(右侧)出现强烈的电子爆发
学分:马里兰大学 近一百年来，带电粒子加速器一直是基础物理研究的核心工具，最著名的可能是理解宇宙基本成分的“原子粉碎器”
随着加速器发展到更高的能量来探测更小的成分，它们已经发展到巨大的规模:大型强子对撞机的周长惊人地达到了27公里
然而，最近马里兰大学的研究人员利用强激光和等离子体在缩小加速器尺寸方面取得了重大进展
20世纪80年代和90年代，强超短脉冲激光的出现(2018年诺贝尔物理学奖的主题)导致电磁(EM)场比最先进的传统加速器中用来加速带电粒子的电磁场强几十万倍
如果没有超强电磁场对结构的破坏，激光驱动的加速器可以缩短几十万倍
正如Tajima和Dawson在1979年所认识到的那样，这就是等离子体拯救地球的地方，开创了基于等离子体的加速领域
等离子体是不可摧毁的(在某种意义上，它们已经被摧毁了！)，并且它们添加自己的巨大场来加速电子
但是传统的加速器有一个长金属管，一个“波导管”，用来限制电磁波，并保持其强度以维持加速过程
如何用超强激光取代它？ 马里兰的研究人员展示了一种功能等效的限制金属管波导管，其形式为由一个或两个额外的激光脉冲在氢气中产生的等离子体波导管
与几厘米宽的金属管形成对比，独立式激光产生的等离子体波导可以将注入的超强激光脉冲限制在比人类头发还细的宽度，并保持在米级的距离上(图1)
虽然等离子体在膨胀和重组之前只持续几纳秒，但这对以接近光速运动的加速器脉冲来说已经足够好了
在科罗拉多州立大学的合作下，马里兰小组展示了来自阿勒夫激光器的高达300太瓦激光脉冲的等离子体波导(峰值总功率为U
S
功率使用小于2太瓦)，电子在仅20厘米的距离上的加速度高达5千电子伏
这使得每米长度的加速度比传统加速器大几千倍
这种巨大的加速度梯度是由等离子体对沿波导传播的强脉冲的响应产生的；这种“等离子体波”响应可以捕获并加速在波上“冲浪”的电子束
由美国能源部和国家科学基金会资助的这些实验的目标是演示一个10 GeV激光驱动的加速级，其想法是多个级可以为未来的高能物理线性对撞机做出贡献
这些结果的一个重要新进展是，等离子体密度保持非常低，同时仍然保持脉冲的有效波导限制(制造高密度等离子体波导容易得多)
这确保了波导中强脉冲的速度总是非常接近真空中的光速
值得注意的是，在更高的等离子体密度下，加速的电子可以赶上并超过激光脉冲，在此过程中减速！ 除了基础物理研究，加速器也被广泛用于医疗同位素生产和医疗治疗等应用
此外，由于带电粒子加速，它们也发射光子束，用于更多的应用
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