雷射加速器是利用雷射束的高電場來加速帶電粒子的一類新型加速器。雷射如同微波一樣，是一種電磁輻射波，但它比微波具有更短的波長、更高的功率密度。
基本介紹
- 中文名：雷射加速器
- 外文名：laser accelerator
- 學科：高能物理
- 優點：加速梯度高、成本低
- 實例：契倫柯夫雷射加速器
- 類別：粒子加速器
介紹,原理及分類,雷射尾場加速器,雷射束直接加速粒子,套用情況,
介紹
粒子加速器是我們挑戰微粒世界的得力工具，藉助於它讓我們發現了許多“基本”粒子，包括重子、介子、輕子和各種共振態粒子。絕大部分新超鈾元素也是通過粒子加速器發現的。粒子加速器還為我們合成了上千種人工放射性核素，這些東西在科學研究、生產建設和保障人們身體健康方面發揮著重大作用。接下來，人們還將建造性能更優異、能量更高的粒子加速器，挑戰微粒世界一定會獲得更輝煌的成就。
傳統的加速器是根據帶電粒子(比如電子、質子、離子等)在電場中受到的作用力而得到加速，提高粒子能量的。加速器提供的電場強度越大，帶電粒子能夠獲得的能量越大。但是設備占地很大、成本很高。
物理學家一直在探索新的粒子加速原理，試圖減少加速器的體積和長度．以及降低經費投入。光波是高頻率的電磁波，與電子有強烈的互動作用。現在的雷射技術能夠獲得很強的雷射束，能夠提供電場強度很高的電場，而且可獲得比傳統加速器更高的加速梯度，從而為縮短加速的長度帶來可能。這個特點自然吸引著科學家利用雷射的力來加速粒子，即製造雷射加速器，並提出了各種構想。
原理及分類
歸結起來，現在打算製造的雷射加速器大致可分為兩類：一是雷射在氣體中或電漿中傳播產生雷射尾場並加速粒子；另一是直接利用雷射束的推動力加速粒子。
雷射尾場加速器
用雷射加速粒子這個構想早在雷射發明的初期就已經提出來了。用雷射尾流場來加速電子的構想是在1979年由Tajima T和Dawson J M提出的。由於雷射尾流場的電場強度可以達到
V/m，因此將具有一定初始能量的電子注入到電漿波後，有可能把電子加速到很高的能量。隨後有很多實驗研究，基本證實了存在這種加速機制。
雷射束直接加速粒子
在真空室中用雷射束的推動力直接加速粒子，實際上就是幾種構造雷射束的縱向加速電場方法。
（1）對稱交叉傳播雷射束加速粒子
雷射束的電場和磁場與雷射束傳播方向垂直，所以，如果讓粒子的運動方向與雷射束的傳播方向相同，那么粒子就得不到雷射束的電場加速。但是，如果雷射束不是沿粒子束運動方向傳播，而是與粒子運動軸向交叉成一個角度入射．那么，根據力學分解知識我們知道．此時在粒子運動方向上存在一個光電場分量．亦即粒子受到了一個縱向作用力。當然，這時候粒子也同時受到橫向光電場作用力．影響著加速器質量。如果把多束雷射對稱地從不同方向入射到粒子束。那么這些橫向作用力便彼此抵消，在沿粒子運動軸線上合成一個軸向加速電場，粒子接受沿軸向作用力加速。由於幾何聚焦作用，場強會隨離軸距離增大而減小。
（2）雷射近場加速
強雷射束投射到金屬光柵或者平滑的電介質表面時，在它們的表面附近會產生相速小於光速傳播速度的加速場．場的方向是軸向．其強度沿離開表面距離呈指數形式迅速陴低．一般來說在與表面距離為波長的量級時．加速場的強度便衰減為表面值的1/e，即大約為1/3。因此，被加速的粒子必須沿物質結構表面運動，這樣一來加速器的接收度就變得很小。另一方面，最高場強是在物質結構表面。因此，可用於加速的場強也就受到結核發生電場擊穿的限制，加速電場的強度不能很大。這兩方面是近場加速方案的根本性弱點。
（3）雷射反向自南電子加速
自由電子雷射器是利用相對論電子群發射相干輻射的雷射器，一個由空間周期交替排布磁鐵組成的系統(稱擺動器)，當一束相對論電子在其中通過時會產生輻射。電子快速通過擺動器，站在電子的立場來看等效於它受到一個迎面而來的電磁場作用，它本身是在做振盪運動。如果電子振盪運動的位相與擺動器電磁場方向相反，電子做阻尼振盪，它的動能將轉換為輻射能，一束通過擺動器的雷射獲得能量，強度不斷獲得增強，這便是自由電子雷射；如果我們通過調整，把它們之間的相位關係變成相同，那么電子便被通過擺動器的雷射束加速。
套用情況
目前雷射加速器還處於探索階段，還有許多複雜的技術問題有待解決。但是雷射加速器無疑是加速器發展的方向，有著巨大的生命力。人們提出了不同機制的雷射加速器，比如：光柵加速器，契倫柯夫雷射加速器，厘米波高梯度加速器，拍頻波加速器，逆自由電子雷射加速器，雙波加速器等。除以上列舉的雷射加速器之外，還有其他一些機制的加速器，並且隨著一些新原理的出現，雷射加速器概念的內涵還在擴展。
