Рекордные лазерные импульсы позволяют изучать астрофизические явления в лаборатории.

Исследователи продемонстрировали высокую стандартную интенсивность лазерного импульса более 10²³ Вт / см² Использование лазеров Betawatt в Центре относительной лазерной науки (CoReLS) Института фундаментальных наук Республики Корея. Потребовалось более десяти лет, чтобы достичь такой плотности лазерного излучения, что в десять раз больше, чем сообщила группа ученых из Мичиганского университета в 2004 году. Эти высокоинтенсивные световые импульсы позволят исследовать сложные взаимодействия между светом и материей способами, которые раньше возможно раньше.

Мощный лазер можно использовать для изучения явлений, которые, как считается, являются причиной появления космических лучей высокой энергии, энергия которых превышает квадриллион (1015) электрон-вольт (эВ). Хотя ученые знают, что эти лучи исходят откуда-то за пределами нашей солнечной системы, то, как они образованы и из чего сделаны, остается древней загадкой.

«Этот высокоинтенсивный лазер позволит нам исследовать астрофизические явления, такие как рассеяние электронов, фотонов и фотонов в лаборатории», — сказал Чанг Хи Нам, директор CoReLS и профессор Института науки и технологий Кванджу. «Мы можем использовать его для проверки и экспериментального достижения теоретических идей, некоторые из которых были впервые предложены почти столетие назад».

в ВизуальныйЭто журнал Оптической ассоциации (OSA) для высокоэффективных исследований, исследователи представили результаты многолетней работы по увеличению интенсивности лазерных импульсов от лазеров CoReLS. Для изучения взаимодействия лазерных материалов требуется сильно сфокусированный лазерный луч, и исследователи смогли сфокусировать лазерные импульсы на пятно размером чуть более одного микрона, менее чем один на пятьдесят диаметра человеческого волоса. Новую рекордную интенсивность лазера можно сравнить с концентрацией всего света, достигающего Земли от Солнца до пятна размером 10 микрон.

В Центре относительной лазерной науки (CoReLS) в Республике Корея исследователи создали импульсы высокой интенсивности с помощью лазера с бета-мощностью (на фото). Этот высокоинтенсивный лазер позволит ученым исследовать астрофизические явления, такие как рассеяние электронов, фотонов и фотонов в лаборатории. Предоставлено: Чанг Хи Нам, CoReLS.

«Этот высокоинтенсивный лазер позволит нам заняться новыми и сложными науками, особенно сильной квантовой электродинамикой поля, которой в основном занимались теоретики», — сказал Нам. «Помимо того, что он помогает нам лучше понять астрофизические явления, он также может предоставить информацию, необходимую для разработки новых источников для типа лучевой терапии, в которой для лечения рака используются протоны высокой энергии».

Увеличьте плотность импульсов

Новый прорыв распространяется на предыдущую работу, в которой исследователи продемонстрировали фемтосекундную лазерную систему на основе Ti: Sapphire, которая генерирует импульсы мощностью 4 петаватта (PW) с периодами менее 20 фемтосекунд с фокусировкой на пятне 1 мкм. Этот лазер, о котором сообщалось в 2017 году, производил примерно в 1000 раз больше энергии, чем вся электрическая энергия на Земле, в лазерном импульсе длительностью всего двадцать частей на миллионную долю секунды.

Для создания лазерных импульсов высокой интенсивности на цели генерируемые световые импульсы должны быть очень сильно сфокусированы. В этой новой работе исследователи применили систему адаптивной оптики для точной компенсации оптических искажений. Эта система включает в себя деформируемые зеркала с регулируемой формой отражающей поверхности для точной коррекции искажений в лазере и генерации луча с хорошо контролируемым волновым фронтом. Затем они использовали большое внеосевое зеркало, чтобы добиться точной фокусировки. Этот процесс требует осторожного обращения с системой оптической фокусировки.

Камера реакции материала с лазерным ускорением протонов, где фокусная плотность превышает 10²³ Вт / см² Это демонстрируется интенсивной фокусировкой многопоточного лазерного луча с внеосевым параболическим зеркалом F / 1.1. Предоставлено: Чжан Хи Нам.

«Наш многолетний опыт, накопленный при разработке мощных лазеров, позволил нам выполнить огромную задачу по фокусировке PW-лазера с размером луча 28 см в пятно микрометра для достижения плотности лазера, превышающей 10²³ Вт / см²Он заснул.

Изучение процессов с высокой энергией

Исследователи используют эти импульсы высокой интенсивности для создания электронов с энергией более 1 ГэВ (109 МэВ) и работают в нелинейной системе, где один электрон сталкивается с несколькими сотнями лазерных фотонов одновременно. Этот процесс является разновидностью квантовой электродинамики сильного поля, называемой нелинейным комптоновским рассеянием, которое, как считается, способствует генерации высокоэнергетических космических лучей.

Они также будут использовать давление излучения высокоинтенсивного лазера для ускорения протонов. Понимание того, как происходит этот процесс, может помочь в разработке нового лазерного источника протонов для лечения рака. Источники, используемые сегодня в лучевой терапии, создаются с помощью ускорителя, который требует массивной радиационной защиты. Ожидается, что управляемый лазером источник протонов снизит стоимость системы, сделав аппарат протонной терапии опухолей менее дорогим и, следовательно, широко доступным для пациентов.

Исследователи продолжают разрабатывать новые идеи для дальнейшего увеличения плотности лазерного излучения без значительного увеличения размера лазерной системы. Один из способов добиться этого — открыть новый способ уменьшения длительности лазерного импульса. С учетом того, что в настоящее время работают лазеры с максимальной мощностью в диапазоне от 1 до 10 ПВт, и планируются установки мощностью до 100 ПВт, нет никаких сомнений в том, что в ближайшем будущем физика высоких интенсивностей получит огромный прогресс.

Ссылка: «Достижение интенсивности лазера выше 10».²³ Вт / см²Авторы: JW Yoon, YG Kim, IW Choi, JH Sung, HW Lee, SK Lee и CH Nam, 6 мая 2021 г. Визуальный.
DOI: 10.1364 /оптика.420520