如何看待2020.03.31发表在物理评论快报的一篇报道中的“突破”对粒子加速器未来发展的影响? 第1页

非常好的问题！利益相关答一波。

先大概看下这篇文章是个什么档次。

说物理评论快报PRL「Physical Review Letters」是物理专业内最好的期刊应该没有什么异议吧？16年引力波的文章发表在PRL上的时候有人调侃说"Gravitational wave is real because it's published on PRL, not on Nature or Science!"。另外，这篇文章是「编辑推荐」加「物理精选」，劳伦斯伯克利国家实验室BELLA团队「目前激光尾波场加速最好的团队」的Jeroen van Tilborg 写了 Viewpoint点评：

再来看这篇文章说了啥？为什么这么受关注？

题目：「 Dephasingless Laser Wakefield Acceleration 」^[1]

Laser Wakefield Acceleration是激光尾波场加速，Dephasingless是不失相。

很明显这篇文章解决了激光尾波场加速的失相问题。先按下「失相」不表，说一下激光尾波场加速。

激光尾波场加速是一种新型的加速器，从1979年Tajima和Dawson提出其概念^[2]「也是发表在PRL上」到现在也才短短40年的时间。

那么为什么要提出激光尾波场加速？

大家应该都有关注前段时间吵的沸沸扬扬的CEPC论证「杨振宁先生和中科院高能所王贻芳院士神仙打架」。CEPC环形正负电子对撞机首先是电子加速器。需要将电子加速到至少到250GeV的能量量级，设备周长将达到100公里，耗资至少数以千亿。欧洲的CERN周长27公里。即便比较小的美国斯坦福直线加速器SLAC长度也有3公里，其最高电子能量只有50GeV左右。

这些传统的加速器的原理都是射频场加速。其核心是电场对电子的加速。射频场加速器中粒子的能量增益受限于加速介质的电击穿强度。一般传统的射频加速器能够承载的最高加速梯度约为100 MeV/m，对应的电场梯度为100兆伏特/米。对于几十上百GeV的能量需求自然要求加速长度在km量级，造价自然是天文数字。

而激光尾波场加速的梯度能够达到100GeV/m，是传统加速器的1000倍以上，加速到相同的能量介质的长度自然要小1000倍。比如需要1GeV的电子只需要大约1mm的加速长度。当然激光尾波场加速器的实际尺寸取决于激光器的大小。一般激光器的尺寸不会很大，业内人士称这种加速器为台面加速器。一张桌子的大小完事了「有点吹的成分，实际上也就是个大三居的面积」。

激光尾波场加速为啥这么给力？原理又是什么？

等离子体！

激光尾波场加速的介质是等离子体。等离子体的组成成分是离子和电子。在超强超短激光辐照下，基本上物质都会被完全电离成等离子体。既然已经被电离了，也就无所谓击穿了。没有了击穿场强的限制，原则上等离子体可以承载任意高的电场强度。

激光尾波场加速中「尾波」指的是尾随激光脉冲的等离子体波。

其基本加速原理如下，超短超强的激光脉冲辐照在一定密度的气体上以后，脉冲的前沿「可把脉冲的时间空间分布都看成高斯分布，激光脉冲就像一颗子弹一样」可以将气体电离成等离子体。激光脉冲的有质动力「光压，可联想太阳帆加速以便于理解」推开其传播路径上的电子，离子由于很重基本不动。激光过去以后就形成离子和电子的电荷分离场，电子被这个电场吸引围绕离子振荡，形成等离子体波。这个波是纵波，可以捕获背景的电子将其加速。由于激光在传播，持续的在其后面激发等离子体波，因此这个波被形象的叫做尾波。实际上整个过程也跟在快速移动的快艇后面的尾波非常类似。有一种冲浪运动就叫尾波冲浪，冲浪者在快艇后面形成的尾波中被持续加速。

对于脉冲宽度为30fs左右的超短激光脉冲，一般需要匹配的等离子体波长在20微米左右，对应的等离子体密度决定了等离子体波的强度为100GV/m。这是为什么激光尾场加速这么给力的原因。

激光等离子体加速的第一个里程碑是2004年，三个独立的团队同时加速出高质量的电子束「虽然能量只有100MeV左右」，背靠背发表在同一期Nature正刊上^[3][4][5]。

目前激光尾波场加速电子能量的世界纪录是上面提到BELLA团队做出的7.8GeV^[6]「2019年PRL」。加速介质的长度只有20cm。我们当然追求更高的能量。上面说了对于对撞机我们需要TeV量级的电子能量，既然激光尾波场加速的能力是100GeV/m，那就加速10m不就行了吗？

不行！

很重要的一个制约因素就是「失相」！

相是相位的相。你可以把这个尾波的等离子体波看成是一个近似正弦函数，那么在一个波包周期内，前半个周期是电场强度为正，对电子减速；后半个周期为负，对电子加速。因此要将电子限制在后半个周期的加速相位内。可问题是激光在等离子体中传播，由于色散原因速度达不到光速，因而尾波的速度也到不了光速「不要纠结群速度还是相速度」。可是GeV量级的电子是非常接近光速的「相对论因子伽马大概为2000」，所以电子和尾波之间存在相对速度，电子向前运动慢慢的就跑出加速相位，进入减速相位，能量便不能再增加了。失相长度也就在mm到cm量级，这也是为什么目前只能加速到GeV量级。因此「失相」限制了最高电子能量。

要想达到TeV的电子能量就只能曲线救国了，一次加速不够那就多加几次。这就是BELLA团队提出的级联加速概念^[7]。即便单级加速能够达到10GeV，目标TeV的对撞机也需要至少100级。那么这样的话设备就会巨大，成本也自然会极大的提高，相比于传统加速器的优势就基本体现不出来了。而且别说100级了，目前也就做到两级，加速的能量在100MeV量级。相比于1TeV的目标小的可怜。可是就这还发的Nature正刊^[8]「也是BELLA团队的工作」。

原因就在于太难，多个激光尾场加速级需要在飞秒和微米的时间和空间尺度上精确匹配。

因此，如果能解决「失相」的问题，就有可能绕开多级加速，真正意义上应用尾波场号称的100GeV/m加速梯度，在几十米的距离上实现TeV电子加速。

「如果真是这样的话，搞传统加速器的都可以洗洗睡了，CEPC也不用争论了，高能所的别打我！」。

铺垫了这么多，主角终于要上场了。

「这篇文章的题目起的很大，直接就叫「不失相激光尾波场加速」。仅仅四个单词。据说文章题目越短被记住的概率越高，被引用的概率也越高。开山鼻祖那篇文章更短，三个单词「Laser Electron Accelerator」，引用2200次了。」

那我们来看他们说的不失相是怎么回事？又是怎么做呢？

高能电子的速度基本非常接近光速了，不失相就要求激光在等离子中的传播速度是光速了。前面说了等离子体是色散介质，怎么可能实现光速呢？

一个简单的小把戏！「绝妙的idea!」

原理就是题主贴的那张图，既然题主用了，我就用另一张

他们idea的核心就是图上的的两个光学元件。右边的是一个阶梯镜，三维情况下是很多个环组成的，每一个环的深度不同，不在一个平面上。这样入射的光被反射出来后就形成如图所示的一系列光环，环与环之间实现不同的时间延迟。然后这样的很多环入射到左边的抛物面聚焦镜上。这个聚焦镜特殊在哪里呢？一般我们聚焦激光束的时候，不会改变激光束的脉宽。可是这个聚焦镜神奇的地方在于能够把不同径向位置的光聚焦到不同的纵向位置上，如上图所示。这样配合阶梯镜，可以把不同环「对应不同时间延迟」的光聚焦到不同的焦点位置，极大的延伸焦点的长度。这样做的目的是能够使得焦点的有效速度为光速。

你可以这样理解：我把一个光环聚焦到一个位置上，产生尾波场加速电子至非常接近光速；当电子在这个尾波场内达到失相的时候，下一个环的光被聚焦到电子刚好传播到的地方，这一时间延迟是可以通过精确调节阶梯镜上那个环的深度而做到的。这样电子又进入了第二个光环产生的第二个尾波场。以此类推。

假设每个激光环将电子加速到10GeV，我们只需要100个环就能将电子加速到1TeV了。他们的计算表明只需要4.5米就可以实现1TeV的电子加速了。

「4.5米，一个TeV，真的搞传统加速器都要没饭吃了。」

可是别慌，这只是理论。离现实还十万八千里呢。理论构想能不能实现还两说呢，为什么呢？

首先为保证每一级加速能达到传统激光尾波场加速的电子能量，那你就需要相同的能量。将相同的能量集中在很小的环里。N个环意味着能量要提升N倍。实现TeV电子能量，激光的能量至少是BELLA的1PW激光的100倍，总能量大概为3000J。

对于超短脉冲激光，3000J是个什么概念呢?

打个广告，您可以看下我的回答「如何形象地说一下 1 焦耳有多大？ - 鱼刺的回答」

1焦耳就已经很大很大了。

所以目前3000J这样的激光器还没有。目前世界上功率最高的激光器是欧洲ELI的10拍瓦激光装置，总能量大概250J。

不过我们可以展望一下未来上海光机所的SULF 100拍瓦装置。

总结下，文章很好，非常好的idea，诱人的前景。工程上能不能实现两说！

写的很仓促，很多细节值得完善，欢迎交流！希望能让您对激光尾波场加速有个大概的了解。

最后嘚瑟下，这篇文章发表前两周，本人有关激光尾波场加速的文章也发在PRL。哈哈！

参考

1. ^J. P. Palastro, J. L. Shaw, P. Franke, D. Ramsey, T. T. Simpson, and D. H. Froula,Dephasingless Laser Wakefield Acceleration, Phys. Rev. Lett. 124, 134802 – Published 31 March 2020 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.134802
2. ^T. Tajima and J. M. Dawson, Laser Electron Accelerator, Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979) https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.43.267
3. ^J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, and V. Malka, A laser- plasma accelerator producing monoenergetic electron beams, Nature (London) 431, 541 (2004). https://www.nature.com/articles/nature02963
4. ^C. G. R. Geddes, C. Toth, J. van Tilborg, E. Esarey, C. B. Schroeder, D. Bruhwiler, C. Nieter, J. Cary, and W.P. Leemans, High-quality electron beams from a laser wake- field accelerator using plasma-channel guiding, Nature (London) 431, 538 (2004). https://www.nature.com/articles/nature02900
5. ^S. P. D. Mangles, C. D. Murphy, Z. Najmudin, A. G. R. Thomas, J. L. Collier, A. E. Dangor, E. J. Divall, P. S. Foster, J. G. Gallacher, C. J. Hooker et al., Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser–plasma interactions, Nature (London) 431, 535 (2004). http://www.nature.com/articles/nature02939
6. ^A. J. Gonsalves, K. Nakamura, J. Daniels, C. Benedetti, C. Pieronek, T. C. H. de Raadt, S. Steinke, J. H. Bin, S. S. Bulanov, J. van Tilborg, C. G. R. Geddes, C. B. Schroeder, Cs. Tóth, E. Esarey, K. Swanson, L. Fan-Chiang, G. Bagdasarov, N. Bobrova, V. Gasilov, G. Korn, P. Sasorov, and W. P. Leemans Phys. Rev. Lett. 122, 084801 – Published 25 February 2019 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.084801
7. ^Wim Leemans and Eric Esarey, Physics Today 62(3), 44 (2009). https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.3099645
8. ^S. Steinke, J. van Tilborg, C. Benedetti, C. G. R. Geddes, C. B. Schroeder, J. Daniels, K. K. Swanson, A. J. Gonsalves, K. Nakamura, N. H. Matlis, B. H. Shaw, E. Esarey, W. P. Leemans, Multistage coupling of independent laser-plasma accelerators, Nature 530 (7589) (2016)  https://www.nature.com/articles/nature16525