“米级”等离子体波导（PRL, 125, 074801）

等离子体中电子的激光尾波场加速（LWFA）在过去的几十年里得到了深入的研究，并且取得了瞩目的成绩。紧凑型、高重复率的激光尾波场加速在许多应用中可以产生10 MeV的超短电子束，但是未来的激光驱动加速器需要产生高重复率的GeV电子束，用于紧凑型光源和高能物理科学研究。为了在相对较短的加速距离上获得高能量的电子束，激光尾场加速需要高强度激光脉冲在超过瑞利长度的距离上传播，因此需要光学波导作为传播介质。

       等离子体中有两种类型的光学波导：相对论自波导和预等离子体波导。相对论自波导要求激光光强达到PW级别才能高效地加速电子，但是对于未来的高重复率，较低激光能量的电子加速器，预等离子体波导则有着更加明显的优势。

       1993年，美国马里兰大学电子和应用物理研究所的DURFEE, CG团队产生了首个等离子体光学波导，实验中使用了双脉冲的技术，产生的波导结构超过了20个瑞利长度。当激光脉冲通过韧致辐射加热气体等离子体，会产生流体圆柱激波膨胀。此激波膨胀建立了光导所需的凹形径向电子密度分布，包括轴芯以及圆柱形的激光壁包层，其中轴心的电子密度最小。在该电子密度分布下在最佳延迟后注入第二束脉冲，可以观测到光束被限制在通道上。后来，该流体动力冲击原理被扩展到由透镜或轴棱锥聚焦的超短脉冲驱动的光场电离（OFI）气体靶上。在该光场电离气体靶方案中，由于气体电离阈值处激光场中的电子有质动力能量与电子温度相当，因而限制了模式激波壁的高度和宽度。

        近期，美国马里兰大学电子和应用物理研究所的B. Miao等人提出了一种新的激光驱动OFI波导技术，产生了米级的光学波导结构，为GeV量级的激光尾波场加速提供了理想的选择。该研究成果以“Optical Guiding in Meter-Scale Plasma Waveguides”为题发表在Physical Review Letters上。

图1：实验装置图

在文章中，研究人员提出了一种新的光场电离产生波导的方法，实验装置如图1所示。通过将电子密度分布的产生与等离子体加热分离的方法，生成高达数百瑞利范围的高强度光学波导结构。光场电离既可以有效地得到规定的电子密度分布，又同时对它们进行最小程度的加热。结果表明，他们的方法能够控制包层高度和厚度，对降低导模泄漏损耗有显著的作用，从而使得泄漏衰减长度从流体动力OFI波导的厘米级增加到数米。

       在实验过程中，研究人员首先将来自钛宝石激光器的线性偏振脉冲经过分束器，成为相互延迟的两束脉冲。光束在分别通过透射螺旋相位板,反射轴棱锥形成双脉冲贝塞尔-高斯光束，分别表示为J0和Jq，激光强度分布图如图2所示。

       最初的J0脉冲完全电离氢气靶，产生一个长而薄的等离子体柱，向外扩展成圆柱形，在光轴附近留下一个低电子密度区域，形成等离子体波导的核心。延迟的Jq脉冲在膨胀的柱周围产生一个长的圆柱形等离子体壳，用作低折射率包层。被引导的强脉冲通过轴棱锥中心孔聚焦并耦合到波导中。在方法中，最重要的是J0脉冲要完全电离氢气靶，从而防止导向脉冲的电离散焦。此外，研究发现，等离子体波导产生的双贝塞尔脉冲方法能够通过控制氢密度、第二脉冲的q阶、贝塞尔光束轴接近角γ、两个脉冲的能量和脉冲宽度以及它们之间的时间延迟来非常广泛地调谐等离子体波导横向轮廓及其导向模式（图3所示）。

图2：J0脉冲和Jq脉冲的强度分布图

图3：背景等离子体下的横向电子密度分布

基于以上研究结果，研究人员估计了更高激光强度下的电子加速结果。当波导核心密度为5×1016 cm-3,基本信道半径为35 μm，此时的尾场失相长度为1.3 m。对激光能量6 J，峰值功率为55 TW，110 fs的激光脉冲，加速的电子的能量可以达到7 GeV。对于相同的波导核心电子密度，将波导的光斑尺寸增加到75 μm，并扩展相应的波导，当波导的半高全宽大于尾场失相长度时,电子的速度将增加到18 GeV，此时所需的激光能量为27 J，峰值功率245 TW，同时电子数量增加5倍。

       这一新的、高度可调的技术可实现对等离子体波导的操控，这将为激光尾波场加速提供更多的应用潜能，并不断拓宽其物理研究领域。