With the rapid iteration of ultra-intense femtosecond laser technology, laser intensities have entered the relativistic regime (>10¹⁸ W/cm²). W tak ekstremalnych warunkach fizycznych materia ulega całkowitej jonizacji w plazmę, a niezwykle lekkie elektrony można bezpośrednio przyspieszać za pomocą pola elektrycznego lasera-w procesie znanym jako bezpośrednie przyspieszanie laserowe (DLA). Proces ten stanowi podstawową podstawę dla wielu pionierskich dziedzin, w tym zaawansowanych akceleratorów, źródeł promieniowania-wysokoenergetycznego i nauki o attosekundach.
Jednakże tradycyjna technologia DLA od dawna boryka się z zasadniczym wyzwaniem: napędzanie opiera się przede wszystkim na podłużnej sile ponderomotorycznej laserów Gaussa. Jednak poprzeczna siła ponderomotoryczna lasera Gaussa wykazuje rozkład Gaussa, który nieuchronnie wypycha elektrony na zewnątrz. To poważnie utrudnia stabilne przyspieszanie elektronów i stało się problemem „wąskiego gardła” w tej dziedzinie.
Aby stawić czoła temu wyzwaniu, zespół badawczy SIOM w innowacyjny sposób rozszerzył strukturalne pola laserowe na eksperymenty z przyspieszaniem elektronów. Wykorzystali unikalny pusty rozkład intensywności i wewnętrzny orbitalny moment pędu laserów Laguerre'a-Gaussa (LG) do precyzyjnego manipulowania elektronami. Wyniki eksperymentów pokazują, że lewoskrętne-lasery LG o polaryzacji kołowej posiadają unikalne podłużne pole elektryczne na osi optycznej. W połączeniu z efektem ogniskowania poprzecznego, z powodzeniem tworzy to stabilną strukturę przyspieszającą „pęcherzyk próżniowy”. Struktura ta jest podobna do bąbelków plazmy w klasycznym przyspieszaniu pola wakefield, zapewniając idealne środowisko dla stabilnego i wysoce wydajnego przyspieszania elektronów.
To osiągnięcie nie tylko wypełnia lukę w eksperymentalnej weryfikacji relatywistycznego lasera LG-DLA, ale także znacznie poprawia stabilność i kolimację wiązki elektronów. Co więcej, gradient przyspieszenia w polu lasera LG jest wprost proporcjonalny do intensywności lasera i jest niezależny od późniejszego złożonego środowiska plazmy. Ta wyjątkowa cecha otwiera zupełnie nową ścieżkę tworzenia kompaktowych struktur akceleracyjnych w skali mikrometrowej-, potencjalnie zmieniając koncepcję „kompaktowych akceleratorów” w rzeczywistość. Oczekuje się, że dzięki dalszej optymalizacji w przyszłości technologia ta znajdzie szerokie zastosowanie w ultraszybkiej fizyce, materiałoznawstwie i obrazowaniu medycznym, co przyczyni się do szybkiego rozwoju w wielu dyscyplinach.
