Промышленный лазер разгоняет электроны экспресс
Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света. Раньше для такого трюка требовались уникальные лазерные системы размером с комнату, а тут — обычное промышленное устройство.
Лазер выстреливает пикосекундными импульсами (триллионные доли секунды), которые затем сжимаются в 20 раз — до 50 фемтосекунд. Это как если бы долгий раскат грома собрали в мгновенную молнию. Сжатый импульс бьёт в струю газа и создаёт плазменный пузырёк — крошечную полость, где электроны подхватываются волной, словно сёрферы на гребне, и вылетают вперёд с энергией в несколько мегаэлектронвольт. При этом лазер работает в режиме очередей: можно задавать от 625 до 6250 выстрелов в секунду — в десятки раз чаще, чем в прежних опытах.
Численное моделирование показало, что ускорение идёт в саморегулирующемся режиме: лазерный луч сам себя фокусирует в плазме, создавая условия для устойчивого разгона. Это похоже на то, как быстрый катер создаёт за собой волну, которая подталкивает пловца — только здесь волна из электронов, а катер — световой импульс. Такой подход соединяет надёжность заводского оборудования с эффективностью плазменного ускорения и обещает компактные источники быстрых электронов для лучевой терапии, сверхбыстрой съёмки и контроля качества материалов.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2606.07147
Laser plasma accelerators (LPAs) are a promising platform for compact radiation sources. For a wide range of applications, including radiotherapy, ultrafast electron diffraction and time-resolved imaging, stable operation at high repetition rates is essential in order to deliver competitive average particle flux. Here we demonstrate the first LPA driven by an industrial-grade ytterbium-doped yttrium aluminium garnet (Yb:YAG) laser, designed for high-average-power operation. The picosecond laser pulses are post-compressed in a multi-pass cell to 50 fs duration and used to drive the interaction. The electron accelerator is operated in burst mode, at repetition rates tuneable from 0.625 to 6.25 kHz, representing a substantial increase compared to the state-of-the-art. Across this range, the electron beam properties remain unchanged, with average charges of 10-12 pC per shot, divergences of 50-70 mrad, and Maxwellian-like spectra extending to a few MeV. Numerical simulations capture the key features of the experimental observations and indicate acceleration in the self-modulated regime, enabled by relativistic self-focusing in near-critical-density plasma. Combining industrial high-average-power laser technology with plasma-based acceleration, these results represent a key step toward scalable, compact high-repetition-rate electron sources for medical, imaging and industrial applications.
Иттербиевый лазер на кристалле Yb:YAG — прямой родственник тех лазеров, что режут сталь на заводах; его активный элемент размером не больше печенья заменяет целый зал научной аппаратуры.