引言

一百一十年以前的夏天，一臺原始的粒子加速器現(xiàn)世，為科學家打開了原子核的大門。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，也用其飛秒獨有的超高能量密度為醫(yī)療界與高能物理學界，在皮秒與納秒無法觸及的領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

“唯有將粒子進行毀滅式的碰撞，我們才能在毀滅中看見希望”

隨著人們對微觀世界的不斷深入研究，粒子潮流以不可阻擋之勢席卷而來。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”時代。

粒子加速器抽象模型

然而動輒幾十億至上千億的造價依舊令普通的科研人員望而生畏，如前些年我國預備投入建造粒子對撞機的計劃最終因1400億造價而被反對者以一票的優(yōu)勢打下馬來，在如此環(huán)境下，激光加速器無疑是為迷途中的物理學家們打開了一扇天窗。

歐洲核子中心粒子加速器

飛秒激光加速器與

傳統(tǒng)加速器的對比與價值

在高能粒子對撞機方面，傳統(tǒng)的粒子加速器電場能量受到材料損傷閾值的限制，最高強度為100MV/m左右，而飛秒激光掠過后形成的振蕩電場強度可達數(shù)百GV/m，形象的來說，歐洲核子中心全場預設27km的巨大粒子對撞機加速器，如果由激光尾場來加速僅20m左右就可以達到同樣的效果。

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，那么伴隨而來的問題是如何得到10m數(shù)量級尺寸的激光為離子提供加速？

美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家給出了有希望的方案，他們設想將數(shù)百個激光加速器串聯(lián)，理論上其效果可比肩歐洲核子中心預計建設的造價1600億人民幣的未來環(huán)形對撞機，而數(shù)百個飛秒激光加速器的串聯(lián)造價在技術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)濟優(yōu)勢。

在治療癌癥方面，1954年美國加州大學進行了世界上首次質(zhì)子治療，一臺傳統(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往往在十億上下，耗時十年人力才能制造而成，目前國內(nèi)僅有五家治療中心，我國第一臺質(zhì)子加速器治療設備于2002年引入。

質(zhì)子治療中心圖

近日，中科院上海應用物理研究所，中科院上海高等研究所，上海艾普強粒子設備有限公司，上海交通大學附屬醫(yī)院瑞金醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)的首臺國產(chǎn)質(zhì)子治療系統(tǒng)被國家批準上市，圓環(huán)形同步加速器總長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，為世界上各個國家所看重，在2012年立項指出，上海成立了專項公司進行投資，而如今在上海嘉定，總投資10億元的小型化質(zhì)子與多粒子治療設備正在研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。

而2012年8月，北京大學成立飛秒激光加速器治療裝置項目，估算資金僅6700萬元，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世，但從如此數(shù)字管中窺豹，可見其前景令人興奮。

飛秒激光加速器原理簡介

飛秒激光可以通過多種方式實現(xiàn)加速，主要分為激光直接加速與尾場加速。

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）技術的提出，激光強度得到大大提升，人們將高強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的作用下以相對論量級的速度進行振蕩，在沿著激光光強梯度的方向上，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。

這種空泡結(jié)構提供了很強的縱向靜電場，電子會為空泡中的靜電場捕獲并加速，達到相對論級別的速度，等離子體尾場加速中的電場在密度為1018W/cm2時可以提供約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數(shù)量級，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力可以表示為：

其中a為激光的歸一化矢勢，用于描述激光強度，可以表示為

在尾場加速中，如何引入電子到等離子體中，即電子的注入機制是人們研究的熱點問題。

對于激光器而言，需要高密度的等離子體來幫助激光器聚焦，使其能量密度達到電子注入所需的閾值，空泡結(jié)構在等離子體中并不能維持長時間的傳播，這要求人們在數(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

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

為了得到足夠的加速度，激光加速器對電場的場強提出了要求，對電場的要求就意味著對激光尾場的強度要求，同樣意味著激光在時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，脈沖持續(xù)時間也要足夠短，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)展基礎自然是激光器，自20世紀90年代鈦藍寶石激光器出現(xiàn)以來，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加速方法才算正式被提上世界日程。

2002年巴黎綜合理工學院LOA實驗室得到脈沖長度35fs、強度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跨入百兆電子伏特數(shù)量級。

到2014年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室通過9cm長的放電毛細光來引導峰值功率為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，他們實現(xiàn)了兩級加速器的串聯(lián)，標志著激光加速器可以進入串聯(lián)時代。伯克利國家實驗室引領著世界激光加速器的前進。他們沖擊高能量電子束的同時，也致力于開發(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，實驗室的加速中心一號機器提供在1HZ重頻下的40焦耳單脈沖激光，脈沖時間30fs，二號機器提供兩個放大器陣列，分別提供50TW與10TW的脈沖，脈沖時間40fs，用于產(chǎn)生超高加速場（1-100GV/m）。最新報道已經(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長毛細管引導激光，延長尾場加速距離，得到7.8GeV的高能電子束。

勞倫斯伯克利國家實驗室激光裝置

2022年11月14日，上海光機所報道其強激光物理國家重點實驗室研究團隊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)子加速方面處于國際領先水平之一，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，光強達2*1021W/cm2，相關成果發(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)達到目前的應用需求，然而產(chǎn)生的電子束的其他指標如能散，電量，發(fā)射度等仍然不在應用要求范圍內(nèi)，這是飛秒激光尾場加速踏入實際應用必須解決的問題。

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一斑，在能量方面不斷突破，在引導激光場方法上不斷推陳出新，其相比于傳統(tǒng)加速器10%的預估造價與7%的預估體積都具有無可替代的優(yōu)勢，我們可以看到飛秒激光器在兩個全新的領域又下一城。

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)的我們嚴陣以待，步步為營，作為一種在醫(yī)療等探索領域有絕對潛力的項目，人類對于它的開發(fā)與探索雖千萬險而往矣，飛秒激光器的一步步成長，奧創(chuàng)光子將與大家一同見證。

參考文獻：

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

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