北京大学核物理与核技术国家重点实验室激光加速小组近期在激光加速－强场物理中取得了重要研究进展，发表了题目为“Laser Shaping of a Relativistic Intense, Short Gaussian Pulse by a Plasma Lens” （PRL 107, 265002 (2011)） 的论文。研究中首次提出“激光等离子体透镜”的概念，用于提高激光的对比度、聚焦光强和脉冲整形，对强场激光物理的发展将产生重要影响。

图1 激光透镜整形前（上图）后（下图）的激光分量分布

         理论和加速实验研究表明，激光加速梯度可以达到100GV/m以上（比常规射频加速器高3~6个量级）。然而由于理论和技术的限制，激光加速离子的有效长度很短，实验中离子能量增益仅仅在几十MeV左右。该研究小组在前期的研究中发现超短超强激光与固体靶相互作用时存在一种稳相加速机制(PRL, 100, 135003 (2008); PRL. 102, 239502 (2009)); PRL 102, 239502 (2009)：即当激光归一化光强与膜片归一化厚度相当时，圆偏振激光可以如常规加速器一样对离子进行加速和纵向聚束，从而可以产生高品质的高能单色离子。通过国际合作，我们在多次实验中成功地证实了稳相加速机制的存在和优点（PRL 103, 245003 (2009); PRL 107, 115002 (2011)）。这些实验虽然证实了该方法可以大幅度提高离子束的能量、束流品质和束流强度。研究表明该方法加速质子到100MeV需要 1021W/cm2 以上的聚焦光强，薄膜靶对激光的信燥比也提出了极高的要求（> 1010 @10ps），对高功率激光提出了苛刻的要求。

      课题组在最近的研究工作中提出在薄膜靶之前放置 “激光等离子体透镜”的新方法，可以对激光脉冲实现很强的横向聚焦，大幅度提高激光光强，缩短脉冲上升时间和改善脉冲的对比度。审稿人评论认为这是一个新的突破：The present work undoubtedly the present work undoubtedly breaks new ground and is of interest to many physicists。这有望提供新的技术途径来提高激光的对比度或者降低薄膜靶对激光对比度的要求，同时大大提高激光的聚焦光强。三年级博士生王鸿勇和重点实验室优秀博士后林晨在该研究中做出了重要贡献。 

该项研究得到国家自然科学杰出青年基金、基金委重点项目、863项目和某专项基地项目的资助。还得到了核物理与核技术国家重点实验室和北京大学应用物理与技术研究中心资助。

相关研究背景

        粒子加速器从诞生至今推动它发展的根本动力在于探求人类面临的四大基本问题即：物质、宇宙、生命的基本构成和运动规律和人类思维的运行规律。刚刚建成的世界上最大的加速器强子对撞机LHC把质子加速到TeV以用于寻找质量之源－Higgs粒子和检测标准模型。传统射频加速器由于存在电场击穿，加速梯度要低于100MV/m，所以随着离子能量的提升加速器的体积变得非常庞大，LHC的周长达27km。为了研究暗物质、超对称的破缺等前沿物理问题，科学家们还需要能量比LHC高千倍的PeV加速器，基于常规射频加速技术建造这样的加速器需要围绕地球一圈，这是难以实现的。由于传统加速器的局限性及其高昂的造价，在过去的几十年里物理学家一直在探索新的粒子加速原理，以期在较短的距离内将粒子加速到很高能量。随着超短超强激光技术的发展，激光聚焦光强可以达到 1018W/cm2 以上，对应的电场高达 1012 V/m。这样强的激光与等离子体相互作用时，由于等离子体本身是一个电离的状态，不存在击穿问题，产生的加速电场可以比常规加速器至少高出千倍以上，可以更加经济地实现超高能离子加速。更高的能量意味着更高的空间分辨率，它将为人类提供更加强大的“离子显微镜”，从而为探索暗物质暗能量和超对称缺失等最前沿物理问题提供所必须的工具。同时，激光驱动产生的离子束具有能量高、脉冲短（~ps）、尺寸小（微米）、方向性好以及转换效率高等特点，也具有很高的时间和空间分辨率，在离子束“快点火”核聚变方案、质子束成像和癌症诊断与治疗等方面具有广泛的应用前景。