破紀錄的雷射脈沖可實現在實驗室研究天體物理現象

研究人員利用韓國基礎科學研究所相對論雷射科學中心(CoReLS)的petawatt雷射器,展示了超過1023
W/cm2的創紀錄的高雷射脈沖強度。
達到這個雷射強度花了十多年的時間,是密西根大學的一個團隊在2004年所創下紀錄的十倍。這些超高強度的光脈沖將使人們能夠以以前不可能的方式探索光和物質之間的復雜相互作用。

破紀錄的雷射脈沖可實現在實驗室研究天體物理現象

這個強大的雷射器可以用來研究被認為是高功率宇宙射線的現象,這些射線的能量超過千兆(1015)電子伏特(eV)。盡管科學家們知道這些射線來自我們太陽系之外的某個地方,但它們是如何產生的以及是什麼在形成它們一直是一個長期的謎。

“CoReLS主任、光州科技學院教授Chang Hee Nam說:”這種高強度的雷射器將使我們能夠在實驗室里研究天體物理現象,如電子-光子和光子散射。”我們可以用它來實驗測試和獲取理論觀點,其中一些觀點是在近一個世紀前首次提出的。”

在光學學會(OSA)的高影響研究雜誌《Optica》上,研究人員報告了多年來提高CoReLS雷射器的雷射脈沖強度的工作成果。研究雷射的物質相互作用需要一束緊密聚焦的雷射,研究人員能夠將雷射脈沖聚焦到剛剛超過一微米的光斑大小,不到人類頭發直徑的五十分之一。新的破紀錄的雷射強度相當於將所有從太陽到達地球的光線聚焦到一個10微米的光斑。

破紀錄的雷射脈沖可實現在實驗室研究天體物理現象

這項新成就擴展了之前的工作,研究人員展示了一個基於Ti:Sapphire的飛秒雷射系統,它能產生持續時間不到20飛秒的4 petawatt(PW)脈沖,同時聚焦到一個1微米的點上。這種雷射器在2017年被報導,在一個僅持續二十萬億分之一秒的雷射脈沖中產生的功率大約是地球上所有電力的1000倍。

為了在目標上產生高強度的雷射脈沖,產生的光脈沖必須被極度緊密地聚焦。在這項新工作中,研究人員應用一個自適應光學系統來精確補償光學失真。這個系統涉及到可變形的鏡子,它具有可控制的反射面形狀來精確地糾正雷射器的失真,並產生一個具有非常好的控制波前的光束。然後,他們使用一個大的離軸拋物面鏡來實現一個極其緊密的焦點。這一過程需要對聚焦光學系統進行精細處理。

破紀錄的雷射脈沖可實現在實驗室研究天體物理現象

研究人員正在利用這些高強度的脈沖產生能量超過1 GeV(109 eV)的電子,並在非線性體系中工作,其中一個電子與幾百個雷射光子同時碰撞。這個過程是一種被稱為非線性康普頓散射的強場量子電動力學,它被認為有助於極高能量宇宙射線的產生。

他們還將利用超高強度雷射產生的輻射壓力來加速質子。了解這一過程是如何發生的,可以幫助開發一種新的基於雷射的質子源用於癌症治療。今天的輻射治療中使用的源是使用加速器產生的,需要一個巨大的輻射防護罩。雷射碟機動的質子源有望降低系統成本,從而更廣泛地為患者所接受。

研究人員繼續開發新的想法,以便在不大幅增加雷射系統尺寸的情況下更多地增強雷射強度。實現這一目標的方法之一是找出一種減少雷射脈沖時間的新方法。由於峰值功率從1到10PW的雷射器現在已經投入使用,並且有幾個達到100PW的設施正在計劃中,毫無疑問,高強度物理學將在不久的將來取得巨大的進展。

來源:cnBeta