Fordobling af kraften i verdens mest intense laser

Den mest intense laser i verden er ved at få en strømopgradering med $2 millioner fra National Science Foundation.

Med mere laserenergi til at fokusere, forskere ved University of Michigan og samarbejdspartnere fra hele verden kan lave bedre bordplader, der producerer partikel- og røntgenstråler til medicinske og nationale sikkerhedsapplikationer-og også udforske mysterier inden for astrofysik og kvanteområdet.

Kraften i HERCULES -laseren kommer fra en serie på fem integrerede "pumpe" -lasere, der forstærker ultrakorte lysimpulser. For at opgradere kraften i HERCULES fra 300 billioner watt, eller terawatts (TW), til 500 eller endda 1, 000 TW, forskerne vil erstatte de sidste tre af disse pumpelasere.

Hvis HERCULES kan opnå 1, 000 TW, det ville igen være blandt de mest kraftfulde lasere i USA Uanset, bumpen ved magt vil øge ante på dens intensitetsrekord - i øjeblikket 20 sekstillion (2x1022) watt per centimeter i kvadrat. Den forbedrede HERCULES skulle være i stand til at fordoble eller endda tredoble denne intensitet.

For et årti siden, da ingeniører i Michigan først byggede HERCULES, de kommercielle pumpelasere, systemet bygger på, kunne ikke nå de ambitiøse 300 TW-rekordstore på det tidspunkt-som forskerne havde i tankerne. De skulle bygge deres egne pumpelasere. Nu, drevet af et krav fra internationale projekter, der søger effektniveauer nord for 10, 000 TW, kommercielle pumpelasere kan overgå de hjemmelavede versioner, der kører i HERCULES i dag. Denne nye teknologi er, hvad der vil presse HERCULES til højere effekt og intensitet end nogensinde før.

"Denne opgradering muliggør en lang række forskellige eksperimenter, sagde Karl Krushelnick, U-professor i atomteknologi og radiologisk videnskab og direktør for Center for Ultrafast Optical Science, som huser HERCULES. "Der er disse spændende applikationer, og det åbner også for et nyt regime helt ved grænsen til plasmafysik, hvor kvantefænomener begynder at spille en vigtig rolle. "

Dette er hvad forskerne skal se frem til:

• Bordacceleratorer:Konventionelle partikelacceleratorer er ofte hundredvis af yards lange, men laserlys kan drive partikelacceleration og producere andre højenergi-stråler som f.eks. røntgenstråler på bare et par kvadratmeter eller mindre. I fremtiden, laserdrevne partikelacceleratorer kan hjælpe med at afsløre ny fysik eller drive ultrakompakte røntgenlasere. Partikel- og røntgenstråler kan også bruges til at bestemme tilstedeværelsen af ​​nukleare materialer i skibscontainere, der ankommer til havne. De bruges til medicinske behandlinger såsom strålebehandling.
• Røntgenstråler, der adskiller sig mellem blødt væv:Højenergirøntgenstråler udsendt af laseracceleratorer kan muliggøre avanceret røntgenbillede, der kan finde grænserne mellem blødt væv-i modsætning til konventionelle røntgenstråler, som er bedst til at udvælge tætte materialer som knogler. Når røntgenstrålerne fra en laseraccelerator bevæger sig gennem forskellige materialer, deres bølger bliver synkroniseret i forskellige grader, og dette kan skelne mellem en lunge og et hjerte, for eksempel. Denne målemetode ville være billigere og tilbyde hurtigere resultater end en MR.
• Gammastråler - astrofysiske mysterier:Hvordan frembringes blusser af kraftig elektromagnetisk stråling, der ikke varer mere end et par sekunder i rummet? En teori siger, at meget stærke magnetfelter, for eksempel i nærheden af ​​sorte huller, kan gå i stykker. Når de magnetiske feltlinjer kommer sammen igen, kan de accelerere partikler, der frigiver disse kraftige udbrud af elektromagnetisk energi i form af gammastråler. Ved at bruge HERCULES -laseren i laboratoriet, holdet kan skabe stærke magnetfelter på mikroskopiske skalaer, der kan bryde fra hinanden og genoprette forbindelse på samme måde, kaster lys over, om dette virkelig er mekanismen bag gammastråleudbrud.
• Spørgsmål til stærk feltkvanteelektrodynamik:Kvantelektrodynamik - kvantebeskrivelsen af ​​lys og dets interaktioner med stof - er ikke blevet testet tilstrækkeligt i nogle ekstreme situationer. For eksempel, når elektriske felter er stærke nok, fænomenet "kogning af vakuum" forudsiges forekomme:stof og antimateriale kan spontant dukke op af ingenting. Elektriske felter kan findes i atmosfærer med neutronstjerner, for eksempel. Den opgraderede HERCULES -laser kan simulere disse miljøer ved at accelerere elektroner til nær lysets hastighed, så - fra elektronernes udsigtspunkt - er felterne stærke nok til at generere partikler fra vakuumet. Ved at se på hvordan elektronerne opfører sig, forskere kan udlede, om forudsigelserne om kvanteelektrodynamik er korrekte.

Krushelnick forudser, at HERCULES' udvidede muligheder vil gøre det muligt for forskere ved UM, der er specialiseret i disse områder, at lave eksperimenter, der tidligere var umulige. Ud over, HERCULES driver eksperimenter for forskere rundt om i USA og i udlandet, så opgraderingen vil gøre den mere værdifuld som en national videnskabelig ressource.