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電子束（紫色）后面的尾流以及光脈沖（藍(lán)色和紅色條紋）如何在其后面沖浪的3D模擬。等離子體尾流以交替黃色表示沒有電子，綠色表示電子密度峰值。當(dāng)光脈沖位于該邊界上時，它可以不斷獲得能量 - 訣竅是將其保持在那里。資料來源：瑞安·桑德伯格，高場科學(xué)集團(tuán)

在電子束脈沖之后沖浪的激光脈沖可能會從可見光上升到極端紫外光，密歇根大學(xué)的模擬表明。

這種方法可以更有效地產(chǎn)生高能激光，甚至可能是X射線。3D模擬顯示光的頻率增加了10倍，而1D模擬增加了50倍。原則上，研究人員表示，通過延長激光脈沖在電子束尾跡中可以騎乘的時間段，可以繼續(xù)增強激光脈沖的能量。

“未來的激光器，可能包括那些用于為計算機設(shè)計半導(dǎo)體芯片的激光器，可以利用這種效應(yīng)更有效地產(chǎn)生更高能量的脈沖，”密歇根大學(xué)核工程和放射科學(xué)教授Alec Thomas說。

頻率增加十倍足以將可見光轉(zhuǎn)化為極紫外輻射，并且該方法還保持了初始激光脈沖中波的對齊，稱為相干性。此外，脈沖的能量隨著頻率的增加而上升，使峰值功率高達(dá)100萬億瓦。

這比世界發(fā)電能力的輸出還要多，只是短暫的千萬億分之一秒。研究人員預(yù)計，這種現(xiàn)象可以在半導(dǎo)體制造和激光物理實驗室中節(jié)省大量能源，盡管他們寧愿在通過實驗確認(rèn)這一發(fā)現(xiàn)之前不估計多少。

電子束（紫色）后面的尾流的3D模擬的側(cè)視圖，以及光脈沖（藍(lán)色和紅色條紋）如何在其后面沖浪。資料來源：瑞安·桑德伯格，高場科學(xué)集團(tuán)

以下是它的工作原理：

從以接近光速傳播的短電子脈沖開始。當(dāng)它們穿過氣體時，它們會將其撕裂或電離，從而產(chǎn)生一種稱為等離子體的物質(zhì)狀態(tài)，其中電子從原子中被抬起。就電子脈沖而言，帶正電荷的重離子是靜止的，但松散的電子在電子脈沖后面形成尾流。

“這有點像一艘摩托艇在水中飛行，將水推到它后面，”第一作者Ryan Sandberg說，他是應(yīng)用和跨學(xué)科數(shù)學(xué)和科學(xué)計算的UM博士畢業(yè)生，現(xiàn)在是勞倫斯伯克利國家實驗室的研究員。“電子脈沖穿過，激光脈沖與坐在摩托艇后面試圖沖浪的人非常相似。

尾流沖浪激光脈沖 - 位于尾隨電子束的第一波松散電子之前 - 將從尾流中獲取能量。它這樣做是因為相當(dāng)高密度的松散電子，以它們基本上不存在的區(qū)域為邊界，創(chuàng)造了一個邊界，其中激光在兩側(cè)移動不同。當(dāng)光波離開松散的電子時，波峰和波谷靠攏在一起，將激光脈沖轉(zhuǎn)移到更高、更有能量的光頻率。

電子束（紫色）后面的尾流的3D模擬的結(jié)束視圖，以及光脈沖（藍(lán)色和紅色條紋）如何在其后面沖浪。資料來源：瑞安·桑德伯格，高場科學(xué)集團(tuán)

加州大學(xué)洛杉磯分校和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員于1989年首次預(yù)測了這種效應(yīng)，但在當(dāng)時，在激光脈沖滑出等離子體尾流的位置之前，只有10%的升檔似乎是可行的。盡管如此，加利福尼亞團(tuán)隊推測，如果有可能將光保持在電子和沒有電子的區(qū)域之間的邊界上，脈沖可以繼續(xù)獲得能量，甚至增加十倍。

30多年后，密歇根團(tuán)隊找到了實現(xiàn)這一目標(biāo)的新方法。麻煩的是，電子束以及尾流的速度與激光脈沖的速度不同——即使光正在獲得能量，等離子體也會稍微減慢速度。為了將激光脈沖保持在正確的位置，邊界還需要相對于電子束向后移動。

桑德伯格和托馬斯提議通過改變電子束穿過的氣體密度來實現(xiàn)這一目標(biāo)。隨著氣體密度降低，尾流進(jìn)一步延伸到電子束后面。

“通過這樣做，瑞安設(shè)法使頻率升檔比以前任何人做過的頻率高一百倍，”托馬斯說。

桑德伯格和托馬斯認(rèn)為，在斯坦福直線加速器中心等實驗室以及未來密歇根大學(xué)的宙斯激光設(shè)施中，使用這種方法可以實現(xiàn)十倍的頻率提高。原則上，他們預(yù)計，只要光停留在邊界上，光的波長就會繼續(xù)縮短，推動更高的能量和頻率。