Strålformens effekt på förbättrad laserwakefield-acceleration av elektroner drivna av 10-fs mJ-klass pulser

En ny väg att krympa kraftfulla partikelacceleratorer

Partikelacceleratorer som undersöker materia och genererar medicinska röntgenstrålar sträcker sig vanligtvis över många meter eller till och med kilometer. Ett snabbare och mer kompakt alternativ, kallat laser wakefield-acceleration, kan öka elektroners energi över avstånd kortare än ett riskorn. Denna studie undersöker hur omformning av själva laserstrålen kan göra dessa kompakta acceleratorer mer kraftfulla och stabila, och öppna dörren för bordsstående källor för forskning, bilddiagnostik och terapi.

Rida på vågorna i ett plasma

I laser wakefield-acceleration plöjer en intensiv laserpuls genom en tunn gas som har omvandlats till plasma, trycker undan elektroner och lämnar efter sig en bubbla av positiv laddning. Denna bubbla skapar ett elektriskt fält som är tusentals gånger starkare än fälten i konventionella maskiner och kan kasta elektroner framåt som surfare på en havsvåg. Men det finns en hake: när elektronerna ökar i energi tenderar de att springa ifrån vågen, och lasern som driver processen tappar snabbt i styrka. Dessa effekter begränsar hur mycket energi elektronerna slutligen kan nå i ett enda steg.

Varför strålform spelar roll

De flesta experiment använder en standardlasersprofil känd som en Gaussisk stråle, som är starkt fokuserad i en punkt och sedan sprider ut sig snabbt. Författarna ställer frågan vad som händer om strålen omformas till ett så kallat Bessel–Gauss-mönster, som har en ljus central kärna omgiven av koncentriska ringar. Med en speciell spegel kallad axiparabola kan denna stråle behålla sin smala kärna över ett mycket längre avstånd, som en ficklampa vars fläck vägrar att defokuseras. Med avancerade datorsimuleringar som fångar hela den tredimensionella fysiken jämför teamet dessa två strålformer samtidigt som den totala laserenergin och pulslängden hålls fasta på teknologiskt realistiska värden: 40 millijoule och 10 femtosekunder.

Simulera kompakta högfrekventa acceleratorer

Simuleringarna följer hur varje typ av laserpuls utvecklas när den färdas genom plasmat och hur effektivt den accelererar elektroner. Plasmat innehåller mestadels väte med en liten mängd kväve; inre elektroner från kväveatomerna frigörs endast nära toppen av laserfältet, vilket ger ett kontrollerat sätt att injicera elektroner i wakefältet. För Gaussiska strålar gör den snäva fokuseringen som krävs vid dessa måttliga energier att lasern diffrakterar och omformas snabbt. Dess intensitet faller kraftigt efter några hundra mikrometer, wakefältet försvagas och elektroner börjar driva in i områden där de saktas ner istället för att accelereras. Som ett resultat planar elektronenenergin ut kring 100–125 megaelektronvolt, och starkare initiala laserfält gör faktiskt utfallet sämre genom att tömma pulsen för snabbt.

En längre skjuts med ringade strålar

Bessel–Gauss-strålar uppträder annorlunda. Deras yttre ringar matas kontinuerligt in i den centrala kärnan, så intensiteten på axeln avtar mycket långsammare än i det Gaussiska fallet. Denna förlängda region med hög intensitet låter elektronerna stanna i den accelererande delen av wakefältet under ett längre avstånd innan dephasing eller uttömning tar över. I de mest gynnsamma konfigurationerna visar simuleringarna maximala elektronenergier på omkring 150–160 megaelektronvolt—ungefär 20–27 procent högre än de bästa Gaussiska uppställningarna med samma laserstyrka. Elektronbuntarna förblir relativt smala i vinkel och deras energispann håller sig under cirka 30 procent när laserstyrkan hålls på måttliga nivåer.

Begränsningar och praktiska vinster

Även med förbättrad strålform kan laserpulsen inte accelerera elektroner på obestämd tid. Över avstånd på 300–500 mikrometer reducerar den icke-linjära utvecklingen av pulsen ändå dess intensitet med mer än en faktor två, vilket begränsar den uppnåeliga energin. Ändå visar arbetet att noggrant strukturerade strålar kan pressa betydligt mer prestanda ur små, högrepetitionslasersystem som arbetar under 0,1 joule per puls. För en icke-specialist är huvudbudskapet att genom att forma ljuset—förvandla en enkel fläck till en ringstruktur—kan forskare göra miniatyracceleratorer som är mer effektiva och pålitliga, och potentiellt föra kraftfulla strålkällor och avancerade bildverktyg från stora anläggningar in i vanliga laboratorier och kliniker.

Citering: 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

Nyckelord: laser wakefield-acceleration, plasmaaccelerator, Bessel-stråle, kompakt elektronkälla, lasrar med hög repetitionsfrekvens