引言

一百一十年以前的夏天，一臺(tái)原始的粒子加速器現(xiàn)世，為科學(xué)家打開(kāi)了原子核的大門(mén)。一百一十年以后的今天，飛秒激光加速器現(xiàn)世，為人民大眾鋪出了一條治療癌癥的康莊大道。

如今急速發(fā)展的飛秒光源不僅僅用于加工與探測(cè)，也用其飛秒獨(dú)有的超高能量密度為醫(yī)療界與高能物理學(xué)界，在皮秒與納秒無(wú)法觸及的領(lǐng)域闖出一條新的道路，本文將為大家淺析飛秒激光加速器與傳統(tǒng)加速器的對(duì)比情況。

加速器不斷推陳出新

激光加速器面世

“唯有將粒子進(jìn)行毀滅式的碰撞，我們才能在毀滅中看見(jiàn)希望”

隨著人們對(duì)微觀世界的不斷深入研究，粒子潮流以不可阻擋之勢(shì)席卷而來(lái)。各種原理、各類形式的加速器在幾十年的研發(fā)、更迭中層出不窮，將物理研究帶入了真正的“氪金”時(shí)代。

粒子加速器抽象模型

然而動(dòng)輒幾十億至上千億的造價(jià)依舊令普通的科研人員望而生畏，如前些年我國(guó)預(yù)備投入建造粒子對(duì)撞機(jī)的計(jì)劃最終因1400億造價(jià)而被反對(duì)者以一票的優(yōu)勢(shì)打下馬來(lái)，在如此環(huán)境下，激光加速器無(wú)疑是為迷途中的物理學(xué)家們打開(kāi)了一扇天窗。

歐洲核子中心粒子加速器

飛秒激光加速器與

傳統(tǒng)加速器的對(duì)比與價(jià)值

在高能粒子對(duì)撞機(jī)方面，傳統(tǒng)的粒子加速器電場(chǎng)能量受到材料損傷閾值的限制，最高強(qiáng)度為100MV/m左右，而飛秒激光掠過(guò)后形成的振蕩電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)數(shù)百GV/m，形象的來(lái)說(shuō)，歐洲核子中心全場(chǎng)預(yù)設(shè)27km的巨大粒子對(duì)撞機(jī)加速器，如果由激光尾場(chǎng)來(lái)加速僅20m左右就可以達(dá)到同樣的效果。

然而眾所周知，飛秒激光器的光束直徑往往在毫米數(shù)量級(jí)，那么伴隨而來(lái)的問(wèn)題是如何得到10m數(shù)量級(jí)尺寸的激光為離子提供加速？

美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家給出了有希望的方案，他們?cè)O(shè)想將數(shù)百個(gè)激光加速器串聯(lián)，理論上其效果可比肩歐洲核子中心預(yù)計(jì)建設(shè)的造價(jià)1600億人民幣的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)，而數(shù)百個(gè)飛秒激光加速器的串聯(lián)造價(jià)在技術(shù)完善的情況下可估算在100億以內(nèi)，相比于傳統(tǒng)環(huán)形加速器有著極大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

在治療癌癥方面，1954年美國(guó)加州大學(xué)進(jìn)行了世界上首次質(zhì)子治療，一臺(tái)傳統(tǒng)的用于治療癌癥的質(zhì)子或重粒子癌癥治療裝置的造價(jià)往往在十億上下，耗時(shí)十年人力才能制造而成，目前國(guó)內(nèi)僅有五家治療中心，我國(guó)第一臺(tái)質(zhì)子加速器治療設(shè)備于2002年引入。

質(zhì)子治療中心圖

近日，中科院上海應(yīng)用物理研究所，中科院上海高等研究所，上海艾普強(qiáng)粒子設(shè)備有限公司，上海交通大學(xué)附屬醫(yī)院瑞金醫(yī)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)質(zhì)子治療系統(tǒng)被國(guó)家批準(zhǔn)上市，圓環(huán)形同步加速器總長(zhǎng)22m有余，質(zhì)子治療作為可能是成功率更高的癌癥醫(yī)療手段，為世界上各個(gè)國(guó)家所看重，在2012年立項(xiàng)指出，上海成立了專項(xiàng)公司進(jìn)行投資，而如今在上海嘉定，總投資10億元的小型化質(zhì)子與多粒子治療設(shè)備正在研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。

而2012年8月，北京大學(xué)成立飛秒激光加速器治療裝置項(xiàng)目，估算資金僅6700萬(wàn)元，估算成本不足傳統(tǒng)加速器的十分之一，雖然治療裝置尚未問(wèn)世，但從如此數(shù)字管中窺豹，可見(jiàn)其前景令人興奮。

飛秒激光加速器原理簡(jiǎn)介

飛秒激光可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)加速，主要分為激光直接加速與尾場(chǎng)加速。

1979年，Tajima T與Dawson J M提出利用激光尾流加速離子的方法，隨著1972年啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)的提出，激光強(qiáng)度得到大大提升，人們將高強(qiáng)度激光射入在臨界密度附近的等離子體介質(zhì)中，是等離子體中的自由電子在高電磁場(chǎng)的作用下以相對(duì)論量級(jí)的速度進(jìn)行振蕩，在沿著激光光強(qiáng)梯度的方向上，自由電子形成密度梯度，即人們所述的電子空穴，也稱為“空泡”結(jié)構(gòu)。

這種空泡結(jié)構(gòu)提供了很強(qiáng)的縱向靜電場(chǎng)，電子會(huì)為空泡中的靜電場(chǎng)捕獲并加速，達(dá)到相對(duì)論級(jí)別的速度，等離子體尾場(chǎng)加速中的電場(chǎng)在密度為1018W/cm2時(shí)可以提供約100GeV/m的加速梯度，其加速梯度高于傳統(tǒng)加速器梯度上限的三個(gè)數(shù)量級(jí)，十分利于加速器的小型化。

等離子體中的帶電粒子接收到的激光動(dòng)力可以表示為：

其中a為激光的歸一化矢勢(shì)，用于描述激光強(qiáng)度，可以表示為

在尾場(chǎng)加速中，如何引入電子到等離子體中，即電子的注入機(jī)制是人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

對(duì)于激光器而言，需要高密度的等離子體來(lái)幫助激光器聚焦，使其能量密度達(dá)到電子注入所需的閾值，空泡結(jié)構(gòu)在等離子體中并不能維持長(zhǎng)時(shí)間的傳播，這要求人們?cè)跀?shù)百微米內(nèi)完成電子的注入以及加速。

出于改善電子注入方式的目的，在傳統(tǒng)的自注入基礎(chǔ)上，人們又提出了離化注入、密度梯度注入等多種方式。下圖為激光入射等離子體后的空泡形成示意圖與空泡分布結(jié)果模擬圖。

空泡形成示意圖

空泡分布結(jié)果模擬圖

除尾場(chǎng)加速外，對(duì)于加速電子而言，激光直接加速、拍頻波加速、自調(diào)制尾場(chǎng)加速、束流驅(qū)動(dòng)尾場(chǎng)加速等方法也逐漸問(wèn)世。而對(duì)于質(zhì)量較大的質(zhì)子而言，光壓加速、沖擊波加速、相對(duì)論自誘導(dǎo)加速等方法被一一提出，如今都是激光加速器未來(lái)可能的發(fā)展方向。

為了得到足夠的加速度，激光加速器對(duì)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)提出了要求，對(duì)電場(chǎng)的要求就意味著對(duì)激光尾場(chǎng)的強(qiáng)度要求，同樣意味著激光在時(shí)間與空間上的能量密度有要求。這就要求光斑在足夠小的同時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間也要足夠短，而飛秒激光器恰恰能滿足。

飛秒激光加速器發(fā)展近況

激光加速器的發(fā)展基礎(chǔ)自然是激光器，自20世紀(jì)90年代鈦藍(lán)寶石激光器出現(xiàn)以來(lái)，激光器的極限功率得到了提高，超快激光器的脈寬也縮短至20~50fs，只有如此短的飛秒脈沖才能提供足夠高的能量密度，上文所述的激光尾場(chǎng)加速方法才算正式被提上世界日程。

2002年巴黎綜合理工學(xué)院LOA實(shí)驗(yàn)室得到脈沖長(zhǎng)度35fs、強(qiáng)度3*1018W/cm2的激光聚焦至3mm的噴嘴氣體上，得到了200MeV的加速電子，這是激光電子加速器第一次帶著加速電子能量指標(biāo)跨入百兆電子伏特?cái)?shù)量級(jí)。

到2014年，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)9cm長(zhǎng)的放電毛細(xì)光來(lái)引導(dǎo)峰值功率為300TW的激光，得到了中心能量4.2GeV的電子束，這也是目前為止人類使用飛秒激光加速器得到的最高電子能量。

而到了2016年，他們實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)加速器的串聯(lián)，標(biāo)志著激光加速器可以進(jìn)入串聯(lián)時(shí)代。伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室引領(lǐng)著世界激光加速器的前進(jìn)。他們沖擊高能量電子束的同時(shí)，也致力于開(kāi)發(fā)緊湊型光源，意在將加速器引入生活，使其不再成為只有少數(shù)人才能接觸的產(chǎn)物。

如今，實(shí)驗(yàn)室的加速中心一號(hào)機(jī)器提供在1HZ重頻下的40焦耳單脈沖激光，脈沖時(shí)間30fs，二號(hào)機(jī)器提供兩個(gè)放大器陣列，分別提供50TW與10TW的脈沖，脈沖時(shí)間40fs，用于產(chǎn)生超高加速場(chǎng)（1-100GV/m）。最新報(bào)道已經(jīng)得到8GeV的電子束與數(shù)MeV的離子束。2019年，A.J.Gonsalves等人利用拍瓦激光裝置，使用20cm長(zhǎng)毛細(xì)管引導(dǎo)激光，延長(zhǎng)尾場(chǎng)加速距離，得到7.8GeV的高能電子束。

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室激光裝置

2022年11月14日，上海光機(jī)所報(bào)道其強(qiáng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)使用羲和激光裝置輸出峰值功率為10PW的激光至金屬靶上，獲得能量為62.5Mev的高能質(zhì)子束，在激光加速器的質(zhì)子加速方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平之一，本次使用的激光單脈沖能量為72J，脈寬30fs，焦斑半高全寬為6μm，光強(qiáng)達(dá)2*1021W/cm2，相關(guān)成果發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering2022年第四期。

在能量方面，飛秒激光加速器的能力已經(jīng)達(dá)到目前的應(yīng)用需求，然而產(chǎn)生的電子束的其他指標(biāo)如能散，電量，發(fā)射度等仍然不在應(yīng)用要求范圍內(nèi)，這是飛秒激光尾場(chǎng)加速踏入實(shí)際應(yīng)用必須解決的問(wèn)題。

飛秒激光加速器發(fā)展小結(jié)

總而言之，目前飛秒激光加速器的威力已是管中窺豹可見(jiàn)一斑，在能量方面不斷突破，在引導(dǎo)激光場(chǎng)方法上不斷推陳出新，其相比于傳統(tǒng)加速器10%的預(yù)估造價(jià)與7%的預(yù)估體積都具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，我們可以看到飛秒激光器在兩個(gè)全新的領(lǐng)域又下一城。

人類發(fā)展歷程艱澀蜿蜒，飛秒激光加速器便是這其中的一道門(mén)檻，其前景如浩瀚星辰讓人神往，其道路亦如崎嶇山嶺使從事于飛秒行業(yè)的我們嚴(yán)陣以待，步步為營(yíng)，作為一種在醫(yī)療等探索領(lǐng)域有絕對(duì)潛力的項(xiàng)目，人類對(duì)于它的開(kāi)發(fā)與探索雖千萬(wàn)險(xiǎn)而往矣，飛秒激光器的一步步成長(zhǎng)，奧創(chuàng)光子將與大家一同見(jiàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]激光等離子體加速器：原理，現(xiàn)狀以及展望,顏學(xué)慶.現(xiàn)代物理知識(shí)，2017.

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