北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室•應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心顏學(xué)慶教授、陳佳洱院士、賀賢土院士與合作者近期在激光加速－強(qiáng)場(chǎng)物理中又取得了重要研究進(jìn)展，發(fā)表了題目為“Laser Shaping of a Relativistic Intense, Short Gaussian Pulse by a Plasma Lens” （PRL 107, 265002 (2011)） 的論文。研究中首次提出“激光等離子體透鏡”的概念，用于提高激光的對(duì)比度、聚焦光強(qiáng)和脈沖整形，對(duì)強(qiáng)場(chǎng)激光物理的發(fā)展將產(chǎn)生重要影響。

　　理論和加速實(shí)驗(yàn)研究表明，激光加速梯度可以達(dá)到100GV/m以上（比常規(guī)射頻加速器高3~6個(gè)量級(jí)）。然而由于理論和技術(shù)的限制，激光加速離子的有效長(zhǎng)度很短，實(shí)驗(yàn)中離子能量增益僅僅在幾十MeV左右。該研究小組在前期的研究中發(fā)現(xiàn)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用時(shí)存在一種穩(wěn)相加速機(jī)制(PRL, 100, 135003 (2008); PRL. 102, 239502 (2009)); PRL 102, 239502 (2009)：即當(dāng)激光歸一化光強(qiáng)與膜片歸一化厚度相當(dāng)時(shí)，圓偏振激光可以如常規(guī)加速器一樣對(duì)離子進(jìn)行加速和縱向聚束，從而可以產(chǎn)生高品質(zhì)的高能單色離子。

　　通過(guò)國(guó)際合作，我們?cè)诙啻螌?shí)驗(yàn)中成功地證實(shí)了穩(wěn)相加速機(jī)制的存在和優(yōu)點(diǎn)（PRL 103, 245003 (2009); PRL 107, 115002 (2011)）。這些實(shí)驗(yàn)雖然證實(shí)了該方法可以大幅度提高離子束的能量、束流品質(zhì)和束流強(qiáng)度。研究表明該方法加速質(zhì)子到100MeV需要1021W/cm2以上的聚焦光強(qiáng)，薄膜靶對(duì)激光的信燥比也提出了極高的要求（>1010 @10ps），對(duì)高功率激光提出了苛刻的要求。

　　在最近的研究工作中提出在薄膜靶之前放置 “激光等離子體透鏡”的新方法，可以對(duì)激光脈沖實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的橫向聚焦，大幅度提高激光光強(qiáng)，縮短脈沖上升時(shí)間和改善脈沖的對(duì)比度。審稿人評(píng)論認(rèn)為這是一個(gè)新的突破：The present work undoubtedly the present work undoubtedly breaks new ground and is of interest to many physicists。這有望提供新的技術(shù)途徑來(lái)提高激光的對(duì)比度或者降低薄膜靶對(duì)激光對(duì)比度的要求，同時(shí)大大提高激光的聚焦光強(qiáng)。3年級(jí)博士生王鴻勇和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)秀博士后林晨在該研究中做出了重要貢獻(xiàn)。

　　該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)杰出青年基金、基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和863項(xiàng)目的資助。還得到了核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心資助。

相關(guān)研究背景：

　　粒子加速器從誕生至今推動(dòng)它發(fā)展的根本動(dòng)力在于探求人類(lèi)面臨的四大基本問(wèn)題即：物質(zhì)、宇宙、生命的基本構(gòu)成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律和人類(lèi)思維的運(yùn)行規(guī)律。剛剛建成的世界上最大的加速器強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC把質(zhì)子加速到TeV以用于尋找質(zhì)量之源－Higgs粒子和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型。傳統(tǒng)射頻加速器由于存在電場(chǎng)擊穿，加速梯度要低于100MV/m，所以隨著離子能量的提升加速器的體積變得非常龐大，LHC的周長(zhǎng)達(dá)27km。

　　為了研究暗物質(zhì)、超對(duì)稱(chēng)的破缺等前沿物理問(wèn)題，科學(xué)家們還需要能量比LHC高千倍的 PeV 加速器，基于常規(guī)射頻加速技術(shù)建造這樣的加速器需要圍繞地球一圈，這是難以實(shí)現(xiàn)的。由于傳統(tǒng)加速器的局限性及其高昂的造價(jià)，在過(guò)去的幾十年里物理學(xué)家一直在探索新的粒子加速原理，以期在較短的距離內(nèi)將粒子加速到很高能量。

　　隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，激光聚焦光強(qiáng)可以達(dá)到1018W/cm2以上，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)高達(dá)1012V/m。這樣強(qiáng)的激光與等離子體相互作用時(shí)，由于等離子體本身是一個(gè)電離的狀態(tài)，不存在擊穿問(wèn)題，產(chǎn)生的加速電場(chǎng)可以比常規(guī)加速器至少高出千倍以上，可以更加經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)超高能離子加速。更高的能量意味著更高的空間分辨率，它將為人類(lèi)提供更加強(qiáng)大的“離子顯微鏡”，從而為探索暗物質(zhì)暗能量和超對(duì)稱(chēng)缺失等最前沿物理問(wèn)題提供所必須的工具。

　　同時(shí)，激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的離子束具有能量高、脈沖短（~ps）、尺寸小（微米）、方向性好以及轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，也具有很高的時(shí)間和空間分辨率，在離子束“快點(diǎn)火”核聚變方案、質(zhì)子束成像和癌癥診斷與治療等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。