粒子加速器是一種利用電磁場加速帶電粒子并使其獲得高能量的儀器。傳統加速器由于受射頻擊穿的限制，其加速梯度最高僅能達到100 MeV/m。而緊湊型激光加速器通過等離子體波作為加速媒介，理論上可實現高出三個數量級的加速梯度(>100 GeV/m)，有望取代傳統的大型加速器，并在粒子與核物理、實驗室天體模擬、高能密度科學以及醫學診療等領域展現重要應用價值。然而，當前激光加速離子的技術仍未達到傳統加速器的能量水平，主要難點在于離子因慣性較大且移動速度較慢，難以追趕上光速傳播的激光加速結構。
 

　　最近，中國科學院理論物理研究所弓正副研究員及合作者提出了一種新型離子加速方案——利用速度可調的時空耦合光脈沖技術，通過控制激光包絡的傳播速度與離子的運動速度相匹配(如圖1)，實現對離子的同步、持續、高效加速。理論研究表明，采用一個焦點橫向移動且強度為的光場，可以在氣體等離子體中將離子加速到每核子GeV的能量水平，這比當前激光離子加速器的能量記錄(每核子100 MeV)至少高出一個數量級。此外，他們通過哈密頓動力學分析解析推導出了成功捕獲和加速離子的閾值條件，并通過多維等離子體動理學模擬驗證了該方案的普適性和魯棒性。
 

圖 1：慢速激光離子加速的方案示意圖
 

　　本研究不僅為解決激光離子加速中能量低這一關鍵問題提供了有效方案，同時也為利用時空耦合光脈沖解決等離子體物理難題提供了新的視角。
 

　　該研究成果近日在PRL線上發表。中國科學院理論物理研究所弓正副研究員為論文的第一作者和共同通訊作者，斯坦福大學助理教授M.Edwards為論文的共同通訊作者。其他合作者包括斯坦福大學研究生曹思達和羅切斯特大學研究員J.Palastro。