北京
图1实验布局图。
近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队，在国际上首次通过实验验证了利用相对论拉盖尔-高斯(LG)激光实现直接激光加速(DLA)的可行性，成功产生稳定、低发射度、高准直的超快电子束。这一进展突破了传统高斯激光直接加速技术的核心瓶颈，为微型粒子加速器、高能辐射源等前沿应用领域的迭代发展开辟了全新路径。相关成果以“Experimental Demonstration of Directional and Collimated Electron Acceleration with Hollow Laguerre–Gaussian Lasers”为题，发表于Physical Review Letters 137, 025001 (2026)。
随着超强飞秒激光技术的飞速迭代，激光强度已迈入相对论级别(强度> 10¹⁸ W/cm²)。在这种极端物理条件下，物质会被彻底电离，形成由电子和离子构成的等离子体。其中，质量极轻的电子可被激光电场直接加速，这一过程被称为直接激光加速(DLA)，是先进加速器、高能辐射源、激光快点火、阿秒科学等众多前沿领域的核心基础，其技术突破直接关系到多个学科的发展进程。
然而，长期以来，传统DLA技术一直受困于一个核心难题：该技术主要依靠高斯激光的纵向有质动力驱动，但高斯激光的横向有质动力呈高斯分布，会不可避免地将电子向侧面排斥，严重阻碍电子的稳定加速，极大地限制了DLA技术从实验室走向实际应用的步伐，成为困扰相关领域的“卡脖子”问题。
研究团队在前期超强LG激光产生与驱动加速研究的基础上，创新地将结构化激光场拓展至电子加速实验领域。其中，拉盖尔-高斯(LG)激光凭借其独特的中空强度分布和内在轨道角动量(OAM)，为电子的精准操控提供了前所未有的可能，成为突破技术瓶颈的关键。
实验结果表明，左旋圆偏振LG激光在光轴上具有独特的纵向电场，与横向场聚束效应相结合，形成了稳定的“真空空泡”加速结构——这一结构类似于经典尾波场加速中的等离子体空泡结构，为电子的稳定、高效加速提供了绝佳环境。
这一成果不仅填补了相对论LG激光驱动DLA实验验证的空白，更突破了传统激光加速技术的性能瓶颈，大幅提升了电子束的稳定性和准直性，为激光加速技术的升级迭代奠定了坚实基础。此外，LG激光场中的加速梯度与激光强度成正比，与后续阶段复杂的等离子体环境无关，这一特性为制造微米级的微型加速结构开辟了全新道路，有望让“微型加速器”从概念走向现实。未来，随着技术的进一步优化，这项技术有望广泛应用于超快物理、材料科学、医学成像等多个领域，推动相关学科的跨越式发展。
图2 实验与三维粒子模拟结果。圆偏振高斯激光驱动的(a)实验和(d)模拟结果、左旋圆偏振LG激光驱动的(b)实验和(e)模拟结果和右旋圆偏振LG激光驱动的(c)实验和(f)模拟结果;(g)一维电子角分布;(h)电子能谱分布。
相关研究得到了中国科学院战略先导研究项目;国家自然科学基金项目，中国科学院国际合作计划项目等基金的支持。(超强激光科学与技术全国重点实验室供稿)
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