With the rapid iteration of ultra-intense femtosecond laser technology, laser intensities have entered the relativistic regime (>10¹⁸ Вт/см²). В таких экстремальных физических условиях вещество полностью ионизируется в плазму, а чрезвычайно легкие электроны могут напрямую ускоряться электрическим полем лазера- — процесс, известный как прямое лазерное ускорение (DLA). Этот процесс служит фундаментальной основой для многих передовых областей, включая современные ускорители, источники излучения высоких-энергий и аттосекундную науку.
Однако традиционная технология DLA уже давно сталкивается с основной проблемой: она в первую очередь полагается на продольную пондеромоторную силу гауссовских лазеров для управления. Тем не менее, поперечная пондеромоторная сила гауссова лазера имеет гауссово распределение, которое неизбежно выталкивает электроны наружу. Это серьезно препятствует стабильному ускорению электронов и стало «узким местом» в этой области.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследовательская группа SIOM инновационным образом расширила структурированные лазерные поля до экспериментов по ускорению электронов. Они использовали уникальное полое распределение интенсивности и собственный орбитальный угловой момент лазеров Лагерра-Гаусса (LG) для точного манипулирования электронами. Экспериментальные результаты показывают, что левосторонние лазеры LG с круговой поляризацией обладают уникальным продольным электрическим полем на оптической оси. В сочетании с эффектом поперечной фокусировки это успешно формирует стабильную структуру ускорения «вакуумный пузырь». Эта структура похожа на плазменные пузыри при классическом ускорении кильватерного поля и обеспечивает идеальную среду для стабильного и высокоэффективного ускорения электронов.
Это достижение не только заполняет пробел в экспериментальной проверке релятивистского LG-лазерного DLA,-управляемого лазером, но также значительно повышает стабильность и коллимацию электронного пучка. Более того, градиент ускорения в лазерном поле ЛГ прямо пропорционален интенсивности лазера и не зависит от последующей сложной плазменной среды. Эта уникальная характеристика открывает совершенно новый путь для создания компактных ускорительных структур микрометрового-масштаба, потенциально превращая концепцию «компактных ускорителей» в реальность. Ожидается, что после дальнейшей оптимизации эта технология будет широко применяться в сверхбыстрой физике, материаловедении и медицинской визуализации, что приведет к скачку развития во многих дисциплинах.
