利用结构光产生尾波场的直接观测：迈向无失相激光尾波场加速的新途径

《Nature Communications》：Direct observation of a wakefield generated with structured light

本刊推荐：为克服激光尾波场加速（LWFA）中的电子失相和衍射极限，研究人员开展了基于轴抛物线（axiparabola）聚焦结构光产生尾波场的实验研究。通过飞秒相对论电子显微镜（FREM）技术直接观测到具有V形结构的尾波场，发现其同时呈现线性和非线性特征。该研究为实现100 GeV以上电子能量加速提供了关键实验依据，对推动下一代高能物理实验具有重要意义。

　　

在激光等离子体加速器的发展历程中，科学家们一直面临着两个关键挑战：电子失相和激光衍射。自从Tajima和Dawson于1979年提出激光尾波场加速（Laser-Wakefield Acceleration， LWFA）的开创性概念以来，这种能够在传统射频加速器一小部分长度内产生高质量单能电子束的技术，已经显示出从新型癌症治疗到无损材料检测乃至自由电子激光器生成等广泛应用前景。然而，当被捕获电子在尾波中停止加速时的失相现象，以及激光衍射导致驱动尾波场强度不足的衍射极限，始终制约着电子能量和加速器效率的进一步提升。

传统解决方案包括再相技术、多级LWFA和降低等离子体密度等方法，但各自存在局限性。再相技术虽然能提升电子能量，但加速增益有限；多级LWFA实验复杂度高；降低等离子体密度则会牺牲加速梯度。目前最高达到10 GeV的电子能量记录正是通过降低等离子体密度方法实现，但向更高能量尺度拓展仍面临挑战。

近年来，科学界将目光投向结构光这一新兴解决方案。通过操纵激光驱动器的强度峰值传播速度，有望实现对失相极限的根本性突破。其中，结合Bessel光束的无衍射特性与时空脉冲整形，特别是通过轴抛物线（axiparabola）这一长焦深反射镜生成准Bessel光束的方法，展现出独特优势。轴抛物线不仅能解决光束衍射问题，还能通过结合其固有的强度峰值速度修改与入射光束的时空耦合操纵，实现对尾波场速度的精确调控，使尾波场与被捕获电子实现相位锁定。

尽管模拟研究显示该方法有望在现有高功率激光装置中实现100 GeV以上的电子能量，但实验研究一直进展缓慢。这主要是因为结构脉冲产生的尾波场与标准抛物线聚焦尾波场存在本质区别——前者是由光束的不同环状部分聚焦到光轴上的不同点形成，传统直觉不再适用，且激光-等离子体相互作用涉及场致电离和非线性尾波场形成等高度非线性过程，只有对等离子体内的尾波场演化进行详细观测才能准确理解其中机制。

在此背景下，魏茨曼科学研究所的Aaron Liberman等研究人员在《Nature Communications》上发表了题为"Direct observation of a wakefield generated with structured light"的研究论文，报道了利用飞秒相对论电子显微镜（Femtosecond Relativistic Electron Microscopy， FREM）技术对轴抛物线产生尾波场的直接观测结果。这一突破性工作为理解结构光尾波场的物理机制提供了关键实验证据，推动了无失相激光尾波场加速向实际应用迈出重要一步。

研究方法上，研究团队利用HIGGINS 2x100 TW激光系统产生两个时间同步的2.5J、27 fs激光脉冲。光束1通过480mm名义焦距、5mm焦深的轴抛物线聚焦到15mm长的超音速狭缝喷嘴（Jet 1）产生结构光尾波场；光束2则通过1.5m焦距离轴抛物线镜聚焦到会聚-发散喷嘴（Jet 2）产生用于探测的飞秒电子束。通过FREM技术，研究人员以高时空分辨率捕获了尾波场结构，并结合粒子模拟（Particle-In-Cell， PIC）和Axiprop代码进行数值验证和理论分析。

结构光尾波场

实验通过在不同焦深位置探测尾波场，获得了其演化过程的关键图像。在焦深起始位置，尾波场刚开始形成时，V形结构 barely可辨；0.5mm后，该结构变得更加明显；1mm处，V形结构已主导FREM图像。PIC模拟重现了这一演化过程，显示随着脉冲沿焦线传播，除了中心轴上的尾波外，还发育出径向离轴的尾波，且尾波横向尺寸随中央焦点光斑尺寸变化而收缩。

通过对比模拟FREM图像与尾波场，研究发现图像中的周期性结构对应尾波场结构的周期性，从而实现了等离子体波长和密度的原位测量。对模拟FREM图像进行二维傅里叶分析，重建的平均密度为4.8×10¹⁷cm^-3，与PIC模拟使用的5×10¹⁷cm^-3实际密度高度一致。

时空耦合对尾波场结构的影响

为研究V形结构与近场时空脉冲前缘的关系，团队在不同脉冲前缘曲率（Pulse-Front Curvature， PFC）条件下进行了FREM实验。PFC是一种时空耦合，提供与半径平方相关的径向依赖脉冲延迟。实验比较了PFC值为-0.002 fs/mm²和0.020 fs/mm²时的尾波场结构，发现PFC差异会引起传播速度变化，但对尾波场结构本身影响不大。PIC模拟显示，正PFC尾波场在时间上晚于负PFC尾波场，在传播距离5.1mm处的轴上峰值强度位置偏移量为1.8μm，这一微小偏移量级正好是使尾波场与被捕获电子相位锁定所需校正的量级。

尾波场结构的起源

通过比较轴抛物线聚焦脉冲在有等离子体和无等离子体条件下的强度分布剖面，研究发现脉冲在等离子体中的传播会对峰值强度剖面施加倾斜，这些倾斜改变了离轴尾波场结构的相对相位，从而在FREM图像中产生V形图案。若无这些倾斜，尾波场和探测图像将呈现棋盘格图案。这表明尾波场结构取决于轴抛物线聚焦激光与等离子体的相互作用，不能仅通过真空中的激光场分布来理解。

线性和非线性尾波场的结合

对结构光尾波场内电磁场的分析揭示了另一个独特性质：线性和非线性尾波的 simultaneous mixing。根据PIC模拟，在焦深起始位置，归一化场振幅a₀=eE₀/(mcω_laser)达到2，并在整个焦线上保持高于1，表明激发尾波场的轴上部分是非线性的；而离轴尾波场则处于线性状态，局部a₀值远低于1。

通过将模拟尾波场与相同激光分布的线性解析解进行比较，研究发现该场同时表现出线性和非线性尾波的行为。离轴区域，模拟与线性解高度一致；而在中心轴附近，则显示出非线性尾波场的典型特征，E_x随横向坐标线性依赖。线性解在轴附近显著高估了预期场振幅，预测值约为50 GV/m，而模拟场接近20 GV/m。对于纵向场分量E_z，离轴切片与线性解几乎完美吻合，均预测约10 GV/m的场；而模拟的轴上切片显示明显的非线性行为，在第一个bucket后部出现尖锐的负峰值。线性解再次高估场振幅，预测值为37 GV/m，而模拟的轴上场接近10 GV/m，仅在第一个bucket后部达到30 GV/m。

这种差异可通过线性和非线性尾波场缩放律的不同来解释。在线性区域，场按a₀²缩放，而在非线性相互作用中，当a₀≥2时缩放变为∝√a₀。对于所考虑的5×10¹⁷cm^-3电子密度，冷非相对论波破场E_p=mcω_p/e≈68 GV/m，表明虽然尾波场的中心部分是非线性的，但相互作用未达到强非线性状态。

讨论与结论

本研究首次实现了对基于轴抛物线和时空耦合的结构光脉冲产生尾波场的直接观测。研究结果表明，该尾波场结构沿轴抛物线焦深发育，与标准尾波场加速器有显著区别。FREM图像与PIC模拟的高度一致，强有力地证明了模拟成功捕捉了相关物理现象，这对指导未来实验研究具有重要意义。

研究发现，结构光尾波场同时存在径向偏移尾波和中心轴上尾波，混合了线性和非线性尾波特性，且尾波相位前缘倾斜产生了FREM图像中的V形结构。对光束时空耦合的修改在无失相加速相关值范围内对尾波场结构影响最小，但对调谐尾波场传播速度至关重要。从尾波场周期性中提取原位等离子体密度的方法，为实验参数提供了直接测量手段。

FREM诊断的非侵入性特性使其能够在优化电子加速的同时进行密度测量和进一步研究。随着最小侵入性单发时空行为测量技术的发展，未来研究可深入探索时空整形对尾波场结构和行为的影响。这些见解将有助于实现轴抛物线产生尾波场克服激光尾波场加速失相极限的潜力。

若在新一代激光装置（如ELI-NP的10PW设施）中成功实现和实施，这种基于结构光的尾波场有望将电子加速到超过100 GeV的能量，创造电子加速能量新纪录。此外，本文描述的FREM技术还可应用于其他奇异尾波场结构的研究，如利用螺旋光束产生能有效加速正电子的激光尾波场加速器。此类方案的成功演示与无失相电子加速相结合，将为基于极端光-物质相互作用的高能物理实验开启新篇章。

该研究通过直接实验观测和先进数值模拟的结合，深化了对结构光尾波场物理机制的理解，为实现高效、高能激光尾波场加速提供了关键科学依据，标志着我们在驾驭光与等离子体相互作用道路上迈出了重要一步。