研究人员产生具有创纪录强度的激光脉冲

由光学学会5月6日， 研究人员在大韩民国基础科学研究所相对论激光科学中心（CoReLS）展示了使用petawatt激光的创纪录高的激光脉冲强度，超过10 23 W / cm 2。达到这种激光强度需要十多年的时间，这是密歇根大学团队在2004年报告的强度的十倍。这些超高强度的光脉冲将使人们能够以前所未有的方式探索光与物质之间复杂的相互作用。

强大的激光可以用来检查被认为是造成高功率宇宙射线的现象的原因，这些高能宇宙射线的能量超过了四千万分之一（10 15）电子伏特（eV）。尽管科学家们知道这些射线起源于我们太阳系之外的某个地方，但它们的制造方式和形成方式却一直是个谜。

CoReLS主任兼光州科技学院教授Chang Hee Nam表示：“这种高强度激光将使我们能够在实验室中检查诸如电子光子和光子-光子散射之类的天体物理学现象。” “我们可以使用它来实验性地测试和获取理论思想，其中一些思想是近一个世纪前首次提出的。”

在Optica中，研究人员报告了为提高CoReLS激光器产生的激光脉冲强度所做的多年努力的结果。研究激光物质相互作用需要紧密聚焦的激光束，研究人员能够将激光脉冲聚焦到仅超过一微米的光斑大小，小于人发直径的五十分之一。新的破纪录的激光强度相当于将所有从太阳到达地球的光聚焦到10微米的点上。

纳姆说：“这种高强度激光将使我们能够应对新的具有挑战性的科学，尤其是强场量子电动力学，这已由理论家们主要解决了。” “除了帮助我们更好地理解天体物理学现象，它还可以提供必要的信息，以开发一种新的放射源，用于使用高能质子治疗癌症的放射治疗。”

一种用于质子加速的激光物质相互作用腔，其中通过用F / 1.1离轴抛物面反射镜紧紧聚焦多拍瓦激光束，展示了超过10 23 W / cm 2的聚焦强度。信用：张熙南

使脉冲更强烈

这项新成果扩展了以前的工作，研究人员展示了基于Ti：Sapphire的飞秒激光系统，该系统产生4拍瓦（PW）脉冲，持续时间少于20飞秒，同时聚焦到1微米点。该激光器于2017年被报道，其产生的功率大约是地球上所有电能的1000倍，而激光脉冲的持续时间仅为二十一万亿分之一秒。

测得的3-D焦点图像显示的激光强度为1.4x10 23 W / cm 2。学分：基础科学研究所

为了在目标上产生高强度的激光脉冲，必须非常紧密地聚焦产生的光脉冲。在这项新工作中，研究人员应用了自适应光学系统来精确补偿光学畸变。该系统包括可变形的反射镜，该反射镜具有可控制的反射表面形状，可精确地校正激光器中的畸变并产生具有非常良好控制的波前的光束。然后，他们使用了一个大的离轴抛物面反射镜来获得非常紧密的聚焦。这个过程需要聚焦光学系统的精细处理。

纳姆说：“我们在开发超高功率激光器方面积累的多年经验使我们能够完成将28 cm光束尺寸的PW激光器聚焦到微米点以完成超过10 23 W / cm 2的激光强度这一艰巨的任务，” Nam说。 。

CoReLS拍瓦激光器的布局和实验装置，可实现超过10 23 W / cm 2的激光强度。BS，分束器；DM1-2，可变形反射镜；EM，电能表；OAP，f /1.1离轴抛物面镜；OL，物镜；WFS1-2，波前传感器。学分：基础科学研究所

研究高能过程

研究人员正在使用这些高强度脉冲来产生能量超过1 GeV（10 9 eV）的电子，并在非线性状态下工作，在该非线性状态下，一个电子立即与数百个激光光子发生碰撞。该过程是一种称为非线性康普顿散射的强场量子电动力学，据认为它有助于产生极高能的宇宙射线。

CoReLS PW激光器的全景图。学分：基础科学研究所

他们还将利用超高强度激光产生的辐射压力来加速质子。了解这一过程是如何发生的，可以帮助开发一种新的基于激光的质子源用于癌症治疗。当今放射治疗中使用的放射源是使用需要巨大防辐射罩的加速器产生的。预计激光驱动的质子源将降低系统成本，从而使质子肿瘤学机器的成本降低，从而使患者更容易接近。

研究人员不断提出新的想法，以在不显着增加激光系统尺寸的情况下，进一步提高激光强度。实现此目的的一种方法是找出减少激光脉冲持续时间的新方法。由于目前正在运行峰值功率范围为1至10 PW的激光器，并且计划中的一些设施达到100 PW，毫无疑问，高强度物理学将在不久的将来取得长足发展。