Realiseringen af ​​buede relativistiske spejle til afspejling af højeffektive laserpulser

Et af de emner, der er undersøgt i de seneste fysikstudier, er stærkfeltskvantelektrodynamik (SF-QED). Indtil nu, dette område er sjældent blevet udforsket før, hovedsagelig fordi den eksperimentelle observation af SF-QED-processer ville kræve ekstremt høje lysintensiteter (> 10 ²⁵ B/cm ² ), over tre størrelsesordener højere end dem, der blev opnået ved hjælp af de mest intense PetaWatt (PW) -lasere, der er tilgængelige i dag.

En SF-QED-proces, der har vist sig at være særlig vanskelig at observere, er Schwinger-processen. Dette er en proces, der sker tæt på den såkaldte Schwinger-grænse (10 ²⁹ /cm ² ), som er forbundet med den optiske nedbrydning af kvantevakuumet og produktionen af ​​produktive elektron/positronpar -plasmaer.

For at observere Schwinger -processen, såvel som andre SF-QED-processer, fysikere skulle være i stand til at nå lysintensiteter over 10 ²⁵ B/cm ² og op til 10 ²⁹ /cm ² . En mulig måde at producere disse stærke lysfelter på kan være at reflektere laserpulser med høj effekt fra et buet relativistisk spejl, spejle i plasma, der består af tynde tætte elektronlag accelereret af elektromagnetiske bølger med høj intensitet.

Forskere ved Lasers Interactions and Dynamics Laboratory (LIDYL) fra French Atomic Energy Commission (CEA) har for nylig bevist, at sådanne buede relativistiske spejle kan fremstilles, når en meget intens laserpuls ioniserer et solidt mål og skaber et tæt plasma, der reflekterer indfaldende lys . Deres papir, udgivet i Naturfysik , kunne have vigtige konsekvenser for fremtidig forskning med det formål at observere SF-QED-processer.

"For nylig, vores gruppe foreslog en ny måde at øge intensiteten af ​​nuværende højeffektlasere betydeligt med mere end tre størrelsesordener, ved hjælp af bemærkelsesværdige optiske elementer kaldet 'relativistiske plasmaspejle', "Henri Vincenti, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalt Phys.org . "Disse spejle kan opnås ved at fokusere en højeffektlaser på et oprindeligt solidt og optisk fladt mål."

I det væsentlige, Vincenti og hans kolleger teoretiserede, at når en højeffektlaser er fokuseret på et oprindeligt solidt, optisk fladt mål, det skaber et tæt plasma ved laserfokus. Dette plasma kan spejlvendt reflektere det indfaldende lys.

"Ved refleksion over dette 'plasmaspejl', det elektriske laserfelt får sin overflade til at svinge ved relativistiske hastigheder, og dermed danne det, vi kalder et relativistisk oscillerende spejl (ROM), "Vincenti sagde." Denne ROM komprimerer periodisk det reflekterede lys i sving via den såkaldte Doppler-effekt. Denne periodiske komprimering giver et tog af sub-femtosekund eller attosekund lysimpulser, forbundet med et Doppler -harmonisk spektrum i frekvensdomænet. "

Ud over denne 'tidsmæssige komprimering', den indfaldende laserstråle inducerer et rumligt inhomogent strålingstryk på plasmaspejlets overflade, hvor laserens intensitet er højere i midten af ​​laserens brændpunkt end på kanterne. Dette strålingstryk kurver i sidste ende plasmaspejlets overflade. Denne observation kunne således åbne op for nye muligheder for udforskning af SF-QED-processer i forsøg med laserteknologi.

"Det primære formål med vores seneste arbejde var at vise, at ROM buet af strålingstryk midlertidigt kan komprimere en højeffektlaser og fokusere det doppler-opskiftede harmoniske indhold med fremragende optisk kvalitet, "Sagde Vincenti." For at opnå dette, vi foreslår en ny måleteknik til fuldt ud at karakterisere den rum-tidsmæssige profil af det reflekterede lys fra et plasmaspejl i eksperimenter. "

Det oprindelige mål for den nylige undersøgelse af Quéré, Vincenti og deres kolleger skulle karakterisere de rumlig-tidsmæssige egenskaber ved plasmaspejlede lyskilder, for at muliggøre deres brug i eksperimenter. Karakteriseringen af ​​disse ejendomme ville, for eksempel, give forskere mulighed for at fokusere plasmaspejlede lyskilder på stofprøver for at nå SF-QED-dominerede regimer eller bruge dem til at udføre attosekundpumpesondeeksperimenter og sonde elektrondynamik i atomer. Ud over, forskerne håbede, at deres arbejde ville muliggøre sammenligning af målinger indsamlet i tidligere eksperimenter med eksisterende teoretiske og numeriske modeller af plasmaspejlkilder.

"Indtil nu, måleteknikker kunne kun hente enten tidsmæssig information eller rumlig information, men ikke begge samtidigt, "Sagde Vincenti." For rumlige oplysninger, en almindelig anvendt teknik kaldes 'ptychography' og tillader en fuldstændig rumlig karakterisering af en lyskilde ved forskellige bølgelængder. "

Ptychography giver forskere mulighed for at opnå en fuldstændig rumlig karakterisering af lyskilder ved at placere et objekt i nærfeltet, der er scannet gennem en lysstråle på forskellige positioner på tværs af et givet plan. Ved at undersøge udviklingen af ​​diffraktionsmønsteret i det fjerne felt, som en funktion af objektets position i planet, muligvis ved hjælp af en algoritme til fasesøgning, forskere kan hente den rumlige amplitude og fase af både objektet og lyskilden.

Mens mange fysikere tidligere har brugt ptychography, denne teknik giver typisk ikke forskere mulighed for at hente tidsmæssig information, da objektet placeret i nærfeltet er fast. Quéré, Vincenti og deres kolleger udtænkte således en alternativ teknik, der ville gøre det muligt for fysikere også at hente tidsmæssig information om objektet og lyskilden. Denne teknik indebærer oprettelse af et ptykografisk objekt, der kan bevæge sig på tidsskalaen på samme tid, muliggør hentning af både rumlig og tidsmæssig information.

"Dette objekt kan opnås ved at bruge en anden lysstråle med frekvens 2 omega (omega er frekvensen af ​​hovedlaserpulsen) fokuseret i en vinkel i forhold til hovedlaserstrålen, "Sagde Quéré." Ved at scanne forsinkelsen mellem de to stråler, man kan ændre objektets position med hensyn til emissionstiden for de successive attosekundpulser, der udsendes af plasmaspejlet. En fasehentningsalgoritme kan derefter opnås for at hente hele spatio-tidsmæssige profil af lyset, der reflekteres af plasmaspejlet. "

Ved hjælp af den teknik, de udviklede, kaldet 'dynamyk ptychography', Quéré og hans kolleger var i stand til at hente rumlig-tidsmæssig amplitude og faseprofil af attosekundpulser udsendt af plasmaspejle ved både moderate og ultrahøje intensiteter.

Ultimativt, teknikken foreslået af dette team af forskere kunne hjælpe søgen efter at nå høje lysintensiteter ved hjælp af plasmaspejle. For eksempel, det kunne hjælpe fysikere med at estimere intensiteten, der kan opnås ved hjælp af plasmaspejle med høj nøjagtighed, samtidig med at de også kan korrelere disse målinger med SF-QED-processerne observeret i tidligere eksperimenter (f.eks. elektron/positron par, gammastråler, etc.).

"Indtil nu, vi har med succes anvendt dynamisk ptychography til 100TeraWatt-klasse lasere, "Vincenti sagde." Den næste vigtige milepæl vil være at implementere den på laserfaciliteter i PW-klasse, hvor intensitetsforøgelsen ved relativistiske plasmaspejle forventes at være størrelsesordener højere. "

© 2021 Science X Network