国际物理学家团队在激光科学领域取得重大进展

相干谐波聚焦(CHF)的产生。激光聚焦于靶上，反射的紫色光束形成强度极高的CHF，从而由光产生物质。

一支国际物理学家团队首次展示了一条大幅提升高功率激光强度的实用路径。该项成果发表于《自然》，创造出实验室有史以来最强的光，从而通过让光与量子真空直接相互作用，开启探索物理学基本规律的实验之门。

该工作由牛津大学的Peter Norreys教授和Robin Timmis博士领导，并与贝尔法斯特女王大学的Brendan Dromey教授、Mark Yeung博士以及英国科学技术设施委员会下属中央激光设施的科学家紧密合作完成。

研究团队利用中央激光设施的“双子座”激光器，通过一种非同寻常的过程产生了极亮的紫外光。简单来说，他们向一团带电粒子(等离子体)发射强激光，使其表现得像一面高速运动的“镜子”。这好比用手电筒照向一面正以极快速度朝你冲来的镜子，反射回来的光会被压缩并变得能量更高——就像救护车疾驰而过时警笛声调会升高一样。

Robin Timmis博士在操作OHREX光谱仪

在这项实验中，这面“镜子”的运动速度极快，以至于爱因斯坦的相对论开始发挥作用，将光提升至更高能量。这一效应被称为相对论谐波产生。研究团队还展示了一种进一步会聚这种光的方法，他们称之为相干谐波聚焦。

打个比方，就像用放大镜将阳光聚焦到一个小点上，其强度足以点燃纸张。在这里，替代阳光的是多种不同颜色(波长)的激光，它们被汇聚并聚焦到一个极小的区域，形成巨大的能量集中。

这一进步最终可能使科学家能够探索物理学最极端的前沿领域之一：光与物质在最基本层面上的相互作用，这由量子电动力学理论描述。

迄今为止，该领域的实验需要将高能粒子束撞击强激光，然后在不同参考系之间小心翼翼地转换结果——有点像试图通过切换多个运动中的摄像机来理解一场车祸。

相互作用期间的真空腔体

而这种新方法避开了这一复杂性。因为一切都在激光系统内部发生，科学家可以直接观测结果，无需进行复杂的逐帧变换。这应该会使未来的实验解读变得容易得多。

该项研究在2024年和2025年开展，涉及广泛的国际合作，包括AWE公司Ed Gumbrell博士团队、美国密歇根大学超快光学中心的Karl Krushelnick教授课题组，以及德国耶拿大学Matt Zepf教授的高场物理与激光加速研究组。该工作部分源自罗宾·蒂米斯博士的博士论文研究，并得到了牛津高能量密度科学中心和牛津-伯曼物理学奖学金计划的共同资助，直至她于2024年提交论文答辩。

第一作者、牛津大学物理系的Robin Timmis博士说：“迄今我们所取得的发现令人着迷，对于理解这一机制丰富而复杂的物理内涵，我们感觉才刚刚起步。模拟结果显示，我们可能已经制造出了迄今最强的相干光源。我希望我们很快有机会重返‘双子座’进行确认，并将所学带到更大的装置上，以产生更亮的光。”

实验团队成员在双子座激光靶区

资深作者、牛津大学物理系的Peter Norreys教授说：“我们非常激动能在实验室里实现这一非凡成果。这是罗宾对这一课题精湛掌握的明证，她获得了我们数十年来苦苦追求而未能得到的精确实验条件。这也真正体现了牛津团队其他成员、贝尔法斯特女王大学Brendan Dromey和Mark Yeung团队(尤其是Jonny Kennedy、Holly Huddleston和Colm Fitzpatrick)、卢瑟福·阿普尔顿实验室中央激光设施的科学家们、Aldermaston的AWE公司，以及我们尊敬的国际合作伙伴所倾注的奉献与专业精神。”

合著者、贝尔法斯特女王大学的Brendan Dromey教授评论道：“这项工作融合了激光技术、等离子体物理和超快材料科学，经过精细调谐，解决了理论与实验之间长期存在的不匹配问题——这一失配已困扰该领域二十余年。”