上海光机所实现超强涡旋激光电子直接加速实验重大突破

近日，中科院上海光机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。

相关链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/9ymq-y8qc