科学家首次单次定格世界最强激光脉冲

科学家如今可以仅凭单次拍摄就捕捉超高功率激光脉冲。新型工具RAVEN能即时揭示激光畸变，为能源、粒子加速和物理学研究带来突破。

牛津大学的研究人员开发了一种开创性的方法，只需一次测量即可捕获超高功率激光脉冲的完整结构。这项与慕尼黑大学和马克斯·普朗克量子光学研究所合作创建的新方法，前所未有地揭示了强光与物质相互作用的细节。

这一突破为聚变能源和实验物理等依赖极端光控制的领域带来了重大进展的希望。该发现于6月26日发表在《自然·光子学》杂志上。

捕捉极端光的挑战

超高强度激光能在单个波周期内将电子加速至接近光速，使其成为探索物理学最极端领域不可或缺的工具。然而，其快速闪烁和复杂结构长期以来一直难以进行实时测量。传统方法需要数百次发射才能拼凑出一张模糊的快照。

如今，来自牛津大学和慕尼黑大学的团队利用一种名为RAVEN（实时获取矢量电磁近场，Real-time Acquisition of Vectorial Electromagnetic Near-fields）的创新工具攻克了这一难题。仅需一次发射，RAVEN就能以极高的精度记录下超高强度激光脉冲的完整形状、时间和偏振方向。

关键意义：实时激光控制与建模

其工作原理如下：激光束被分成两束。其中一束用于揭示脉冲颜色随时间的变化，而另一束则穿过一块特殊晶体，分离出不同的偏振分量。一个微型透镜阵列捕捉脉冲的波前，定制的光学传感器则将所有信息记录在一张图像中。随后，软件会重建出脉冲的完整三维结构。

通过提供即时、高保真的图像，RAVEN使研究人员能够实时微调激光器，弥合实验与模拟之间的差距，并在粒子加速、等离子体物理和下一代聚变能源等领域开辟新途径。

首次实现完整捕获：激光诊断的新纪元

首席研究员森尼·霍华德（Sunny Howard，牛津大学物理系博士生，慕尼黑大学访问科学家）表示：“我们的方法首次实现了对超高强度激光脉冲的实时完整捕获，包括其偏振状态和复杂的内部结构。这不仅为激光-物质相互作用提供了前所未有的见解，也为优化高功率激光系统铺平了道路，这在以前是不可能的。”

该技术在德国的ATLAS-3000拍瓦级激光器上成功通过测试。它揭示了激光脉冲中先前无法实时测量的微小畸变和波移，使研究团队能够微调仪器。这些被称为时空耦合（spatio-temporal couplings）的畸变会显著影响高强度激光实验的性能。

高能实验的实时反馈

通过提供实时反馈，RAVEN允许进行即时调整，提高了等离子体物理、粒子加速和高能量密度科学实验的准确性和效率。由于不再需要多次发射来全面表征激光脉冲的特性，它还显著节省了时间。

该技术也为在实验室实现惯性聚变能（IFE）装置提供了一条潜在的新途径——这是迈向产生足以供社会使用规模的聚变能的关键一步。惯性聚变能装置利用超高强度激光脉冲在等离子体中产生高能粒子，这些粒子随后传播到聚变燃料中。这种“辅助加热”概念需要准确了解聚焦激光脉冲的靶点强度以优化聚变产出，这正是RAVEN现在所能提供的。聚焦激光束还可以成为探索新物理的强大探针，例如，通过让两个脉冲对射在真空中产生光子-光子散射。

颠覆性的效率与激光洞察力

合著者彼得·诺里斯教授（Prof. Peter Norreys，牛津大学物理系）表示：“在大多数现有方法需要数百次发射的地方，RAVEN仅需一次就能完成激光脉冲的完整时空表征。这不仅为激光诊断提供了一个强大的新工具，还有潜力加速广泛超高强度激光应用的进展，有望推动激光科学与技术的边界。”

突破背后的根本性简洁原理

合著者安德烈亚斯·德普博士（Dr. Andreas Döpp，慕尼黑大学物理系，牛津大学原子与激光物理系访问科学家）补充道：“森尼加入我们在慕尼黑的团队一年后不久，事情终于‘豁然开朗’，我们意识到了支撑RAVEN的绝妙结果：由于超高强度脉冲在聚焦时被限制在如此微小的空间和时间范围内，进行此类诊断实际所需的分辨率存在根本性的限制。这是一个改变游戏规则的认识，意味着我们可以使用微型透镜，使我们的装置简单得多。”

展望未来：扩大RAVEN的影响力

展望未来，研究人员希望将RAVEN的应用扩展到更广泛的激光设施，并探索其在优化惯性聚变能研究、激光驱动粒子加速器和高场量子电动力学实验中的潜力。

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