På senare år har laserdriven partikelacceleration väckt stor uppmärksamhet som ett kompakt alternativ till konventionella radiofrekvensacceleratorer som används i högenergifysikexperiment och medicinska anläggningar. Laserdriven acceleration är baserad på interaktionen av intensiva laserpulser med plasma, som är joniserade gaser. När en laserpuls med hög effekt interagerar med ett plasma kan den generera starka elektriska och magnetiska fält som kan accelerera elektroner och joner till mycket höga energier.
En av utmaningarna i laserdriven acceleration är dock att upprätthålla kvaliteten på de accelererade partiklarna. När en enda laserpuls används för att accelerera partiklar, kan accelerationsprocessen vara instabil, vilket leder till variationer i de accelererade partiklarnas energi och banor. Detta kan begränsa tillämpningarna av laserdriven acceleration i praktiska miljöer.
För att övervinna dessa utmaningar har forskare vid Osaka University, ledd av professor Yasuhiko Sentoku, utforskat ett nytt tillvägagångssätt med hjälp av flera laserstrålar. Genom att dela upp en enda laserpuls i flera strålar och sedan kombinera dem på ett specifikt sätt kunde forskarna uppnå en mer stabil och kontrollerad acceleration av elektroner och joner.
I sina experiment använde forskarna ett högeffektlasersystem som kallas "10 PW Laser Facility" vid Institute of Laser Engineering (ILE), Osaka University. Lasersystemet kan leverera ultraintensiva laserpulser med en toppeffekt på 10 petawatt (PW), vilket motsvarar den totala elförbrukningen i hela USA.
Genom att använda flera laserstrålar, observerade forskarna förbättrad acceleration av både elektroner och joner jämfört med fallet med en enda laserpuls. De accelererade elektronerna nådde energier på flera GeV, medan de accelererade jonerna nådde energier på flera MeV. Kvaliteten på de accelererade partiklarna, i termer av deras energispridning och vinkeldivergens, var betydligt bättre med användning av flera laserstrålar.
Förbättringen i partikelaccelerationsprestanda tillskrevs den mer stabila och kontrollerade interaktionen mellan de multipla laserstrålarna och plasman. Användningen av flera strålar möjliggjorde bättre kontroll av laserintensiteten och fasfördelningen, vilket resulterade i effektivare acceleration och förbättrad strålkvalitet.
Forskargruppen tror att användningen av flera laserstrålar kan bana väg för utvecklingen av nästa generations laserdrivna partikelacceleratorer som är kompakta, effektiva och kan producera högkvalitativa partikelstrålar. Sådana acceleratorer kan ha ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive grundläggande forskning inom högenergifysik, kompakta strålkällor för medicinska och industriella ändamål och avancerade bildtekniker som röntgenmikroskopi och tomografi.
