Texas Petawatt Laser進行實驗時，他們的Wakefield激光加速器有所不同：添加鋁納米粒子可以提升電子能量。Wakefield laser accelerator粒子加速器，它使用高功率激光在氣體靶中產生等離子體。當激光穿過等離子體時，它在尾部留下一個波，類似于湖面上的船。該波是一個小面積的強電勢梯度，可加速等離子體尾場加速器中的帶電粒子。

圖1：藝術家對尾流場過程的渲染。超強紅外激光脈沖（紅色）拖動其后的三維等離子體尾流。電子在第一個氣泡的后面被注入到這個尾流中，并在激光脈沖的驅動下加速。

由The University of Texas at Austin物理學副教授比約恩·“曼努埃爾”·赫格利希（Bjorn “Manuel” Hegelich）領導的國際研究小組最近展示了一種長度不到20米的小型粒子加速器，該加速器產生的電子束能量為100億電子伏特（10 GeV）。

美國只有另外兩個加速器能夠達到如此高的電子能量，它們都長約3公里。在德克薩斯州規模的突破中，該團隊的激光加速器可以在10厘米內實現這些能量（產生光束的腔室大小）。

激光如此強大，以至于它們可以瞬間使電子發生相對論性變化，這令赫格利希著迷。換句話說：任何暴露在激光下的電子都會根據最著名的物理方程E=mc^2立即獲得其靜止質量能量——在極快的飛秒內。

“一飛秒與一秒的對比，就像一秒與宇宙年齡的對比一樣，所以是瞬間發生的，”赫格利希說。“如果你進一步提高激光強度，你就會開始進入量子效應，并有關于我們可能如何使用它來測試量子引力的想法。從基礎物理學的角度來看，這是一個非常有趣的領域，值得探索。”

從實際出發，赫格利希受到了可能產生實際影響的驅動。“第一批計算機是樓房大小的機器，在當時可以做驚人的事情，”赫格利希說。“但是，一旦我們弄清楚如何使它們小到每個人都可以擁有，計算機就開始產生真正廣泛的影響。幾十年來，加速器和由加速器驅動的X射線源一直是我們最強大的研究工具。但是，如果我們使獲取途徑民主化，使它們足夠小、足夠緊湊，以至于無處不在，我們就可以充分發揮它們的潛力。”

Wakefield laser accelerators

Wakefield激光加速器的概念（見圖1）早在1979年就首次被描述：一束極其強大的激光擊中氦氣，將其加熱成等離子體，并產生波，將電子從氣體中踢出，形成高能電子束。

在我們基本的設置中，我們有一個氣室或噴氣式發動機，用氦氣、氫氣或一些混合氣體填充，“赫格利希說。“超強激光穿過氣體，使其電離，并轉化為等離子體。激光脈沖拖動等離子體波，就像船在湖面上拖動尾跡一樣（見圖2）。電子可以在尾跡上沖浪，被拖動并獲得能量，并加速。

圖2. 電子加速的等離子體室。氦氣和鋁納米粒子從底部注入，德克薩斯州皮塔瓦特激光器從右側進入，電離氣體/納米粒子混合物，并產生三維等離子體波，即加速電子的“尾流場”（a “wakefield” that accelerates the electrons）。

這些激光場非常強，所以波也很強，電子被加速得很厲害。“在我們的例子中，我們用金屬（鋁）納米粒子來填充這個裝置。當激光電離它們時，許多電子被注入波中，所以我們能得到更多的電荷。由于這種多余的電荷，我們還可以保持加速更長時間——甚至達到更高的能量。”

當他們預計使用納米粒子時（基于之前在較小的激光器上的結果），能量擴散范圍較小，能量較高，電荷較低，但結果卻令人震驚，電荷提高了5倍。

“一旦我們開始用德克薩斯州的大型皮瓦激光器試驗，我們立刻發現情況與以前有所不同——它們非常不同，”赫格利希說。“10年來，我們一直試圖增加電子能量，但沒有取得多大成功；我們被困在2 GeV左右。一旦我們使用納米粒子，能量就高得多，我們得到了更多的電子。

這只是一個開始——現在他們已經展示了原理。下一步：精確控制。赫格利希（Hegelich）說：“很大一部分涉及激光工程，以開發具有更高發射率的激光器，等離子體工程以實現精度，軟件工程以實現更好的反饋和控制。”。“這將使我們達到10 GeV的結果真正適用，并使其能夠應用于半導體計量和生產、空間物理學以及癌癥治療和診斷。

Texas Petawatt Laser需要資金

該團隊演示的主要挑戰是，德克薩斯州皮塔瓦激光器每天只能試驗四到五次，而且它們不一定都能按照預期的方式工作。

“激光參數，如能量、脈沖持續時間或焦斑大小，可能會波動很大，因為系統的部分組件已經相當陳舊，”赫格利希解釋道。“其他部分是新的和升級的，但主要放大器（見圖3）來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室舊的Nova激光器，該激光器于1999年退役，所以我們通常每天只能得到一兩次好實驗結果，總體統計數據相當差。我們想確保結果可重復，所以在兩年內進行了三次實驗活動以獲取數據（見圖4）。

圖3： Texas Petawatt Laser system激光器的放大器級之一。

該團隊可以重建德克薩斯州皮塔瓦特激光器（小型化），將目前的激光器升級為每分鐘試驗一次，而不是每隔幾個小時試驗一次。遺憾的是到目前為止，這項升級還沒有得到資助。

Wide range of applications ahead

在短期內，在較低的能量下，該團隊的技術可能會在半導體計量學中應用于新型3D芯片設計的三維（3D）成像（semiconductor metrology for 3Dimaging of new 3D chip designs）。“它還將應用于空間電子設備的輻射測試，”赫格利希（Hegelich）說。“健康是另一個關鍵領域——我們的激光技術在治療學中有需求，我們將看到用于癌癥的極高能電子療法，在診斷學中，它能夠實現新的方法，如X射線誘導的聲學計算機斷層掃描。”

一個巨大的潛在應用是激光驅動的X射線自由電子激光器（XFEL），如斯坦福大學的直線加速器相干光源或漢堡大學的歐洲XFEL，它需要>10 GeV的電子束來驅動它。

目前，全球只有少數幾臺這樣的機器，這意味著使用它們的權限和可用時間有限。“硬X射線自由電子激光是終極的X射線顯微鏡，在空間和時間上實現了分子分辨率，因此它們將成為從材料科學到生物學、化學等各個領域的前沿研究工具，”赫格利希說。“它們將使新電池、太陽能電池、設計藥物、疫苗、藥物和其他數百個行業的研究成為可能。”

該團隊的技術可以將 XFEL 從園區尺寸縮小到實驗室大小，這樣每個大型大學甚至公司都可以擁有一個，他補充道。使更多研究人員和行業能夠比以前更容易獲得光束時間。

Scaling to lower laser pulse energy

研究人員目前正在努力降低激光脈沖能量，同時保留他們觀察到的優勢，以使用給定的激光達到更高的電子能量，或使用較小的激光達到目標電子能量。

該公司的創始人赫格利希（Hegelich）表示：“我們將與TAU Systems股份有限公司一起，在我們位于加利福尼亞州卡爾斯巴德的應用中心，以更高的每秒100次的發射速度，對該機構進行精確控制”。赫格利奇和他的團隊也在研究開發multi-kilohertz drive laser。