超强激光作为一种独特的能量来源，在科学研究、工业以及医学等诸多方面发挥着关键作用。为了获得高强度激光脉冲，光束一般会在空间内汇聚到一个非常小的尺寸，汇聚之后由于衍射效应会很快发散开来。然而在诸如激光尾场加速等领域需要激光在一个相当长的距离维持较高的光强，由劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的科学家Marlene Turner领导的一项研究延伸到了这个领域。

在激光尾场加速中，超强激光用于激发等离子体中的静电波，带电粒子可以在静电波中加速，类似于在海面上冲浪。这种加速器最为特殊的地方在于：带电粒子获得一定能量所需的加速距离比传统加速方式缩短数千倍。但是如果没有对激光束进行引导，其在焦点之后会很快散开，大大降低了激光脉冲的强度以及可以驱动高强度尾场的加速距离。所以加速距离的缩短会导致粒子不能获得最佳的加速能量。

对于低光强脉冲，解决衍射的手段是光纤玻璃，它可以将激光光束导引数千公里，然而高光强激光会破坏光纤。在High Power Laser Science and Engineering 2021年第2期的文章中，Marlene Turner教授等人研究了用于超强激光的等离子体光纤，等离子体可以减弱衍射效应，引导激光光束延长其高强度传输的距离。研究团队展示了迄今为止最长的40 cm高品质放电毛细管。

图1 20 cm长的放电毛细管波导，可以将电子加速至8 GeV

等离子体波导如何导引激光？透镜或者光纤可以通过中心最强的折射率分布来偏折激光。对于等离子体来说，则是通过中心最低的电子密度分布来实现。沿径向逐渐增加电子密度的分布导致径向的折射率逐渐增大，这对于强激光来说就如同一个超强透镜或者激光管道一样。

这样的等离子体该如何产生呢？目前为止已有多项技术可以实现。本文中研究人员采用了充气的蓝宝石毛细管两端接上电极，通过高压放电产生等离子体，放电电流加热等离子体，在管壁附近冷却，就使得越靠近管壁的地方温度越低。由于气压是平衡的，所以从中心到两端的电子密度是逐渐增加的，这就获得了用于导引激光束的超强波导。

不同于静态的玻璃透镜或者光纤，该等离子体波导在每个脉冲中都会重新建立一次。因此，研究人员详细研究了每次放电的参数变化，并且展示了非常出色的稳定性和可重复性。这对于激光尾场加速中多参数变化的加速束流来说十分重要。研究人员发现不同放电过程中波导参数变化低于1%，每次通道内的密度分布十分接近。这意味着每个激光脉冲将会以同样的方式沿同样路径在波导中传输。

“本工作展示了毛细管可以产生非常稳定的等离子体，这表明加速器性能中观测到的涨落主要源于激光驱动的涨落，需要非常即时的激光反馈控制以保证稳定性。”加州LBNL加速器技术和应用物理部门主任Cameron Geddes博士对这项工作给出了如上评价。

对玻璃透镜形状的精确控制决定了光学性能，但是控制等离子体达到同样的水平却是一个挑战。理想情况下，电子密度分布呈抛物线型，可事实上非常远离通道轴的地方已经不再是抛物线。研究人员发现这在等离子体作为望远镜系统增大光束聚焦焦斑中十分重要。本文的研究人员通过非常精确的控制，将分布在激光焦斑附近、呈抛物线型的等离子体用于导引激光，这就使得光束的传播过程中光束品质不会下降。放电毛细管波导已经在激光尾场加速器中获得了高能电子。该研究团队开发的40 cm长的波导预计可以将截止能量推到更高水平。