Forskere producerer laserimpulser med rekordstor intensitet

Forskere har påvist en rekordhøj laserpulsintensitet på over 10 ²³ B/cm ² ved hjælp af petawatt-laseren på Center for Relativistisk Laservidenskab (CoReLS), Institut for Grundvidenskab i Republikken Korea. Det tog mere end et årti at nå denne laserintensitet, hvilket er ti gange mere end rapporteret af et hold ved University of Michigan i 2004. Disse ultrahøj intensitet lysimpulser vil muliggøre udforskning af komplekse interaktioner mellem lys og stof på måder, som ikke tidligere var mulige.

Den kraftige laser kan bruges til at undersøge fænomener, der menes at være ansvarlige for højeffekt kosmiske stråler, som har energier på mere end en kvadrillion (10 ¹⁵ ) elektronvolt (eV). Selvom videnskabsmænd ved, at disse stråler stammer fra et sted uden for vores solsystem, hvordan de er lavet, og hvad der danner dem, har været et langvarigt mysterium.

"Denne højintensitetslaser vil give os mulighed for at undersøge astrofysiske fænomener såsom elektron-foton- og foton-fotonspredning i laboratoriet, " sagde Chang Hee Nam, direktør for CoReLS og professor ved Gwangju Institute of Science &Technology. "Vi kan bruge det til eksperimentelt at teste og få adgang til teoretiske ideer, hvoraf nogle først blev foreslået for næsten et århundrede siden. "

I Optica , forskerne rapporterer resultaterne af mange års arbejde med at øge intensiteten af ​​laserpulser fra CoReLS -laseren. At studere laserstofinteraktioner kræver en stramt fokuseret laserstråle, og forskerne var i stand til at fokusere laserimpulserne til en pletstørrelse på lidt over en mikron, mindre end en halvtredsindstyvendedel af diameteren af ​​et menneskehår. Den nye rekordstore laserintensitet kan sammenlignes med at fokusere alt det lys, der når jorden fra solen til en plet på 10 mikron.

"Denne højintensitetslaser vil lade os tackle ny og udfordrende videnskab, især stærk felt kvanteelektrodynamik, som hovedsageligt er blevet behandlet af teoretikere, " sagde Nam. "Ud over at hjælpe os med bedre at forstå astrofysiske fænomener, det kunne også give den nødvendige information til at udvikle nye kilder til en type strålebehandling, der bruger højenergiprotoner til at behandle kræft."

Gør pulserne mere intense

Den nye bedrift udvider tidligere arbejde, hvor forskerne demonstrerede et femtosekund lasersystem, baseret på Ti:Sapphire, der producerer 4 petawatt (PW) pulser med varigheder på mindre end 20 femtosekunder, mens de er fokuseret til en 1 mikrometer plet. Denne laser, som blev rapporteret i 2017, produceret en effekt på ca. 1, 000 gange større end al den elektriske effekt på Jorden i en laserimpuls, der kun varer tyve kvadrilliontedele af et sekund.

For at producere højintensitets laserpulser på målet, de genererede optiske impulser skal fokuseres ekstremt tæt. I dette nye værk, forskerne anvender et adaptivt optiksystem til præcist at kompensere optiske forvrængninger. Dette system involverer deformerbare spejle - som har en kontrollerbar reflekterende overfladeform - for præcist at korrigere forvrængninger i laseren og generere en stråle med en meget velkontrolleret bølgefront. De brugte derefter et stort off-akse parabolsk spejl for at opnå et ekstremt stramt fokus. Denne proces kræver skånsom håndtering af det optiske fokussystem.

"Vores mange års erfaring med at udvikle ultrahøjeffektlasere gjorde det muligt for os at udføre den formidable opgave at fokusere PW-laseren med en strålestørrelse på 28 cm til et mikrometerpunkt for at opnå en laserintensitet på over 10 ²³ B/cm ² , " sagde Nam.

At studere højenergiprocesser

Forskerne bruger disse højintensive impulser til at producere elektroner med en energi på over 1 GeV (10 ⁹ eV) og at arbejde i det ikke-lineære regime, hvor en elektron kolliderer med flere hundrede laserfotoner på én gang. Denne proces er en type stærk felt kvanteelektrodynamik kaldet ikke-lineær Compton spredning, som menes at bidrage til dannelsen af ​​ekstremt energiske kosmiske stråler.

De vil også bruge strålingstrykket skabt af ultrahøj intensitet laser til at accelerere protoner. At forstå, hvordan denne proces opstår, kan hjælpe med at udvikle en ny laserbaseret protonkilde til kræftbehandlinger. Kilder, der bruges i nutidens strålebehandlinger, genereres ved hjælp af en accelerator, der kræver et enormt stråleskjold. En laserdrevet protonkilde forventes at reducere systemomkostningerne, gør protononkologimaskinen billigere og dermed mere tilgængelig for patienter.

Forskerne fortsætter med at udvikle nye ideer til at øge laserintensiteten endnu mere uden at øge størrelsen af ​​lasersystemet markant. En måde at opnå dette på ville være at finde ud af en ny måde at reducere laserpulsvarigheden på. Da lasere med spidseffekter fra 1 til 10 PW nu er i drift, og flere faciliteter, der når 100 PW, er ved at blive planlagt, der er ingen tvivl om, at højintensitetsfysik vil udvikle sig gevaldigt i den nærmeste fremtid.