Влияние формы пучка на усиленное лазерное ускорение электронов в ударной волне, вызванное 10-фс импульсами класса мДж

Новый способ уменьшить мощные ускорители частиц

Ускорители частиц, которые изучают материю и генерируют медицинские рентгеновские лучи, обычно простираются на многие метры и даже километры. Быстрая альтернатива, называемая лазерным ударно-волновым ускорением, может разгонять электроны до высоких энергий на расстояниях меньше рисового зерна. В этом исследовании изучается, как изменение формы лазерного пучка может сделать эти компактные ускорители более мощными и стабильными, открывая путь к настольным источникам для исследований, визуализации и терапии.

Езда по волнам в плазме

В лазерном ударно-волновом ускорении интенсивный лазерный импульс проталкивает через разреженный газ, превращённый в плазму, отдвигая электроны и оставляя позади пузырь положительного заряда. Этот пузырь создаёт электрическое поле в тысячи раз сильнее, чем в традиционных установках, способное устремлять электроны вперёд, как серферов на океанской волне. Но есть загвоздка: по мере набора энергии электроны склонны обгонять волну, а лазер, приводящий процесс, быстро теряет мощность. Эти эффекты ограничивают максимальную энергию, которую электроны могут достичь на одной стадии.

Почему форма пучка имеет значение

В большинстве экспериментов используют стандартный профиль лазера, известный как гауссов пучок — он сильно фокусируется в одной точке, а затем быстро расходится. Авторы задаются вопросом, что произойдёт, если пучок переработать в так называемый Бесселево-Гауссов профиль, имеющий яркое центральное ядро, окружённое концентрическими кольцами. С помощью специального зеркала, называемого аксипараболой, такой пучок способен сохранять узкое ядро на гораздо большей длине, словно фонарик, пятно которого отказывается расфокусироваться. Используя продвинутые численные симуляции, учитывающие полную трёхмерную физику, команда сравнивает эти две формы пучка при сохранении общей энергии лазера и длительности импульса на технологически реалистичных значениях: 40 миллиджоулей и 10 фемтосекунд.

Моделирование компактных ускорителей с высокой частотой

Симуляции отслеживают, как каждый тип лазерного импульса эволюционирует при прохождении через плазму и насколько эффективно он ускоряет электроны. Плазма состоит преимущественно из водорода с небольшим содержанием азота; внутренние электроны атомов азота выбиваются лишь вблизи пика лазерного поля, что даёт контролируемый способ введения электронов в волну. Для гауссовых пучков сильная фокусировка, необходимая при этих умеренных энергиях, вызывает быстрое дифракционное расхождение и перестройку пучка. Его интенсивность резко падает после нескольких сотен микрометров, поле в ударной волне ослабевает, и электроны начинают смещаться в области, где они тормозятся вместо ускорения. В результате их энергия выходит на плато около 100–125 мегаэлектронвольт, и более сильные начальные поля лазера фактически ухудшают результат, слишком быстро истощая импульс.

Длинный толчок с кольцевыми пучками

Пучки Бесселя–Гаусса ведут себя иначе. Их внешние кольца постоянно подпитывают энергию центрального ядра, поэтому он-осевая интенсивность затухает намного медленнее, чем в гауссовом случае. Эта увеличенная область высокой интенсивности позволяет электронам дольше оставаться в ускоряющей части волны до наступления дефазирования или истощения. В наиболее благоприятных конфигурациях симуляции показывают максимальные энергии электронов порядка 150–160 мегаэлектронвольт — примерно на 20–27 процентов выше, чем лучшие гауссовы настройки при той же мощности лазера. Пучки электронов остаются относительно узкими по углу, а их энергетическое распределение удерживается ниже примерно 30 процентов при умеренных уровнях силы лазера.

Ограничения и практическая выгода

Даже при улучшенной форме пучка лазерный импульс не может ускорять электроны бесконечно. На расстояниях 300–500 микрометров нелинейная эволюция импульса всё равно снижает его интенсивность более чем вдвое, ограничивая достижимую энергию. Тем не менее работа демонстрирует, что тщательно структурированные пучки позволяют выжать существенно больше производительности из небольших лазерных систем с высокой частотой повторения, работающих ниже 0,1 джоуля на импульс. Для неспециалиста главный вывод таков: формируя свет — превращая простое пятно в кольцевую структуру — исследователи могут сделать миниатюрные ускорители более эффективными и надёжными, потенциально перенёсши мощные источники излучения и передовые методы визуализации из крупных учреждений в обычные лаборатории и клиники.

Цитирование: Abedi-Varaki, M., Tomkus, V., Girdauskas, V. et al. Beam shape effect on enhanced laser wakefield acceleration of electrons driven by 10-fs mJ-class pulses. Sci Rep 16, 11188 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41516-0

Ключевые слова: лазерное ударно-волновое ускорение, плазменный ускоритель, пучок Бесселя, компактный источник электронов, лазеры с высокой частотой повторения