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通过密度梯度等离子体对埃瓦到泽瓦激光器进行激光脉冲压缩

2023-11-15 09:07:51  来源:激光网原创    

  英国和韩国的科学家提出了一种产生激光脉冲的新方法,其功率是目前存在的激光脉冲的1000多倍。

  科学家们在联合研究中使用计算机模拟来展示一种压缩光的新方法,以充分增加其强度,从而从真空中提取粒子并研究物质的本质。为了实现这一目标,这三个小组共同生产了一种非常特殊的镜子——它不仅可以反射光脉冲,还可以在时间上将它们压缩两百倍以上,并可以进一步压缩。

  来自斯特拉斯克莱德大学、UNIST和GIST的研究小组提出了一个简单的想法——利用等离子体密度的梯度,即完全电离的物质,使光子“聚集”,类似于一群伸展的汽车在遇到陡峭的山坡时聚集在一起。这可能会彻底改变下一代激光器,使其功率比现在所能达到的功率增加一百万倍以上。

  在等离子体中压缩激光脉冲的新方法发布在《自然光子学》杂志上。

  世界上功率最高的激光器的峰值功率约为 10 拍瓦。为了说明这一点,173 拍瓦的阳光到达地球的高层大气,其中大约三分之一到达地球表面。一拍瓦是 1015W,一个exawatt是1018W 和 zettawatt 是 1021W.太阳产生 4x1026W 功率或 400000 泽瓦。

  高功率激光器产生的光脉冲持续时间非常短,通常为几飞秒,这是使用一种称为啁啾脉冲放大的技术实现的。CPA 涉及脉冲压缩,它将激光脉冲能量集中在短时间内,从而将其峰值功率提高许多数量级。

  斯特拉斯克莱德大学物理系的Dino Jaroszynski教授说:“一个重要而根本的问题是,当光强度超过地球上常见的水平时会发生什么。高功率激光器使科学家能够回答有关物质性质和真空的基本问题,并探索所谓的强度前沿。

  “将太瓦到拍瓦激光器应用于物质,使下一代激光等离子体加速器的发展成为可能,这些加速器比传统加速器小数千倍。为科学家提供新工具正在改变科学研究的方式。我们在斯特拉斯克莱德大学建立了苏格兰等离子体加速器应用中心,以推动基于高功率激光器的应用。

  UNIST的Min Sip Hur教授说:“这项研究的结果有望应用于各个领域,包括先进的理论物理学和天体物理学。它还可用于激光聚变研究,以帮助解决人类面临的能源问题。我们的韩国和英国联合团队计划在实验室中对这些想法进行实验测试。

  GIST的Hyyong Suk教授说:“等离子体在CPA系统中可以发挥类似于传统衍射光栅的作用,但是一种不会损坏的材料。因此,它将通过包含一个非常简单的附加组件来增强传统的 CPA 技术。即使使用几厘米大小的等离子体,它也可以用于峰值功率超过一艾瓦的激光器。

  艾瓦特和泽瓦特似乎是很大的功率,它们确实如此,但通过简单地使用透镜或曲面镜将激光脉冲聚焦到一个小点,以集中其能量,其强度可以大大增加。与将激光脉冲在时间上压缩到短时间类似,通过在空间上压缩脉冲,即将其聚焦到一个小点,可以在空间中完成同样的事情。因此,压缩以一种非常普遍的方式——在空间或时间上——允许增加激光脉冲的强度。使用镜头将阳光聚焦到一张纸上,可以很容易地测试空间压缩;它会自燃。

  随着强度的增加,物质会经历各种转变。例如,空气在强度高于 1010—1012宽/厘米2对于可见光波长以及电子受到强度高于 10 的激光时18宽/厘米2,它们接近光速,这导致了相对论光学的领域。

  强度为 1024宽/厘米2在上述水平上,质子接近光速,经历强烈激光场的粒子对自身的辐射场做出反应,这是目前物理学中的强度前沿。强度高于 10 时29宽/厘米2,这被称为施温格极限,粒子直接从真空中产生——光可以直接转化为物质。这需要埃瓦到泽瓦的激光器。

  了解强度高于 10 的物质和真空的本质24宽/厘米2是现代物理学的突出挑战之一。高功率激光还可以在实验室中研究天体物理现象,从而提供对恒星内部和宇宙起源的独特一瞥。

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