With the rapid iteration of ultra-intense femtosecond laser technology, laser intensities have entered the relativistic regime (>10¹⁸ W/cm²). Unter solch extremen physikalischen Bedingungen wird Materie vollständig in Plasma ionisiert und extrem leichte Elektronen können durch das elektrische Feld des Lasers direkt beschleunigt werden-ein Prozess, der als direkte Laserbeschleunigung (DLA) bekannt ist. Dieser Prozess dient als grundlegende Grundlage für viele Grenzgebiete, darunter fortschrittliche Beschleuniger, hochenergetische Strahlungsquellen und die Attosekundenwissenschaft.
Die traditionelle DLA-Technologie ist jedoch seit langem mit einer zentralen Herausforderung konfrontiert: Sie beruht zum Antrieb hauptsächlich auf der longitudinalen Ponderomotorik von Gaußschen Lasern. Die transversale Ponderomotorik eines Gaußschen Lasers weist jedoch eine Gaußsche Verteilung auf, die zwangsläufig Elektronen nach außen drückt. Dies behindert die stabile Elektronenbeschleunigung erheblich und ist zu einem „Engpass“-Problem auf diesem Gebiet geworden.
Um diese Herausforderung zu meistern, erweiterte das SIOM-Forschungsteam auf innovative Weise strukturierte Laserfelder zu Elektronenbeschleunigungsexperimenten. Sie nutzten die einzigartige Hohlraumintensitätsverteilung und den intrinsischen Bahndrehimpuls von Laguerre-Gauß-Lasern (LG), um Elektronen präzise zu manipulieren. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass links-zirkular polarisierte LG-Laser ein einzigartiges longitudinales elektrisches Feld auf der optischen Achse besitzen. In Kombination mit dem transversalen Fokussierungseffekt gelingt es so, eine stabile Beschleunigungsstruktur „Vakuumblase“ zu bilden. Diese Struktur ähnelt den Plasmablasen bei der klassischen Wakefield-Beschleunigung und bietet eine ideale Umgebung für eine stabile und hocheffiziente Elektronenbeschleunigung.
Diese Errungenschaft schließt nicht nur die Lücke in der experimentellen Verifizierung relativistischer LG-Laser--DLA, sondern verbessert auch die Stabilität und Kollimation des Elektronenstrahls erheblich. Darüber hinaus ist der Beschleunigungsgradient im LG-Laserfeld direkt proportional zur Laserintensität und unabhängig von der nachfolgenden komplexen Plasmaumgebung. Diese einzigartige Eigenschaft eröffnet einen völlig neuen Weg zur Schaffung kompakter Beschleunigungsstrukturen im Mikrometermaßstab und könnte das Konzept „kompakter Beschleuniger“ in die Realität umsetzen. Mit weiteren Optimierungen in der Zukunft wird erwartet, dass diese Technologie breite Anwendung in der Ultraschnellphysik, Materialwissenschaft und medizinischen Bildgebung findet und die sprunghafte Entwicklung in mehreren Disziplinen vorantreibt.
