利用強激光產生的「光學火箭」

在內布拉斯加大學林肯分校的超強光實驗室的一台激光器，最近研究團隊在實驗室使用使電子加速到接近光速。圖片來源：內布拉斯加大學林肯分校。

在內布拉斯加州大學林肯分校最近的一項實驗中，在強激光脈衝路徑上的等離子體電子幾乎瞬間加速到接近光速。

物理學教授Donald Umstadter領導了這一用於證實先前理論的研究實驗，他說新的應用可能被恰當地稱為「光學火箭」，因為光在實驗中施加了巨大的力。這些電子所受到的力幾乎是宇航員發射到太空所感受到的力的萬億倍。

「這種新的和獨特的強光應用可以提高緊湊型電子加速器的性能，」他說。「但是，我們結果的新穎和更普遍的科學方面是，光力的應用導致物質的直接加速。」

Umstadter說，光學火箭將是光的力量如何被用作工具的最新例子。

正常強度光在反射、散射或吸收時只施加了微小的力。這種力量的一個應用是一種可以用來推動航天器的「光帆」。然而，由於在這種情況下光力非常小，因此航天器需要連續多年施加光力才能達到高速。

上圖為內布拉斯加大學林肯分校研究人員Grigory Golovin。

當光具有強度梯度時，會產生另一種力。這種光力的一個應用比如用作「光學鑷子」，用來操縱顯微鏡下的物質，此時所用的力又非常小。

在Nebraska實驗中，激光脈衝聚焦在等離子體中。當等離子體中的電子通過其梯度力從光脈衝的路徑中排出時，等離子體波在脈衝的尾流中被驅動，並且允許電子捕獲尾場波，這進一步加速電子到超相對論能量。這種強光為更好的控制尾場加速的初始階段，用於提高新一代緊湊型電子加速器的性能等新應用提供了手段，由於傳統加速器的巨大體積，這將為一系列以前不能實現的應用鋪平道路。

上圖思為內布拉斯加大學林肯分校的實驗的概念圖，白色的圓球代表兩個激光脈衝，在它們的尾流中是等離子體波。在激光脈衝交叉之後，波束相互干擾，電子將尾場波帶入更高的能量。圖片來源：內布拉斯加大學林肯分校。

這項實驗研究是由內布拉斯加大學林肯分校的學生和科學家們共同進行的，高級研究助理格里戈羅文（Grigoroy Golovin）是這篇論文報道的主要作者。並且該研究項目的資助由美國國家科學基金會提供。

該實驗是基於中國上海交通大學的科學家的數值模擬進行的進一步研究。Umstadter在理論上預言了二十年前的基本機制。研究結果發表在九月的《物理評論快報Physical Review Letters》雜誌上。

來源：https://phys.org/news/2018-09-optical-rocket-intense-laser.html

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