中国物理学家团队发现并消除了激光驱动质子加速中一个不可见的瓶颈：激光器光栅压缩器中的微小错位（角度约100微弧度）曾悄然将性能降低一半。
这项发表在arXiv上并被《极端条件下的物质与辐射》期刊接收的研究，由北京大学紧凑型激光等离子体加速器（CLAPA）装置的吴庆帆和马文君领导。研究表明，残留角度啁啾,,超短激光脉冲中不同波长以略微不同角度到达靶标的时空耦合,,严重拉长了焦斑并降低了峰值强度。修正这一缺陷后，系统可产生的最大质子能量翻了一番。
隐藏于视线之中的问题
基于啁啾脉冲放大（CPA）技术的拍瓦级激光器依赖衍射光栅压缩器，将拉伸的激光脉冲重新压缩至数十飞秒。对准容差极为严格。研究发现，即使约100微弧度的光栅错位,,大约相当于一臂距离处人类头发丝宽度的百分之一,,也足以引入残留角度啁啾，从而大幅拉长焦斑并急剧降低靶标上的峰值强度。
结果是：质子截止能量（即加速质子所能达到的最大能量）被限制在系统本应达到水平的大约一半。
行之有效的诊断方法
研究团队开发了一种原位光谱阻断诊断方法，用于测量残留角度啁啾。通过在压缩器输出端选择性地阻断部分激光光谱并测量由此产生的焦斑位移，他们能够量化错位程度并指导实时校正。
应用校正后，焦斑恢复到接近衍射极限的质量，靶标强度恢复，质子截止能量翻倍。这种方法足够简单，可作为标准诊断手段在世界各地的其他拍瓦级激光装置中推广应用。
对癌症治疗的意义
激光驱动质子加速作为传统回旋加速器质子治疗的潜在替代方案，已被研究二十余年。传统质子治疗需要庞大且昂贵的加速器设施。激光驱动质子源的 promise 在于，它可能足够紧凑以放置在医院地下室，以极低的成本提供癌症治疗所需的质子束。
然而，达到临床使用所需的质子能量（通常为100至250 MeV）一直极为困难。本文发现了一个具体且可修正的限制因素，该因素在至少一个PW级系统中不知不觉地抑制了性能,,而修复方法既不是新型激光器也不是特殊靶材设计，而是任何设施都可以部署的诊断方法。
更广泛的背景
北京大学的CLAPA装置设计为一个两阶段项目。第一阶段旨在产生100 MeV质子束，脉冲包含超过10⁹个粒子且能量可连续调节。第二阶段目标是200 MeV,,一个具有治疗意义的能量。本研究展示的角度啁啾校正直接推动了这一目标的实现。
这项工作的意义还超出了医学领域。激光驱动离子束正在被开发用于惯性约束聚变中的快点火、致密材料的质子照相以及医疗成像用放射性同位素生产。所有这些应用都依赖于最大化加速质子束的能量和质量。
局限性与注意事项
该实验仅在单一拍瓦级激光系统上进行。虽然角度啁啾问题可能普遍存在于基于CPA的PW激光器中，但效应的幅度和具体的校正方法会因装置而异。质子截止能量的翻倍仅在一个装置的一套条件下得到验证。
此外，本研究涉及一种特定的时空耦合,,角度啁啾,,但其他耦合（空间啁啾、脉冲前沿倾斜、时间偏斜）也可能降低PW激光器的性能，此处未进行系统研究。该诊断方法专门针对角度啁啾。
本文已被MRE接收，但尚未分配期刊卷号和页码。作为已被接收的预印本，其结果比原始arXiv投稿更具分量，但尚未完成最终的期刊出版流程。
来源
1. Wu， Q.， Wu， M.， Zhao， J.， Gao， Y.， Chen， H.， Song， T.， Zhang， Z.， Wu， Z.， Liang， T.， Xu， S.， Peng， Z.， Zhang， H.， Xu， T.， Han， Q.， Hua， C.， Chen， K.， Fan， P.， Xie， Y.， Li， X.， Liu， P.， Nong， X.， Xu， S.， Ma， L.， Geng， Y.， Lin， C.， Zhao， Y.， Yan， X.， & Ma， W. (2026). Impact of Residual Angular Chirp in a Petawatt-class Laser System on Laser-driven Proton Acceleration. Matter and Radiation at Extremes (accepted). arXiv:2607.12451. https://arxiv.org/abs/2607.12451
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