Den mest intensiva lasern i världen är på väg att få en effektuppgradering med 2 miljoner dollar från National Science Foundation.

Med mer laserenergi att fokusera, forskare vid University of Michigan och samarbetspartners från hela världen kan göra bättre bordsskivor som producerar partikel- och röntgenstrålar för medicinska och nationella säkerhetsapplikationer-och också utforska mysterier inom astrofysik och kvantområdet.

Kraften hos HERCULES -lasern kommer från en serie med fem inbäddade "pump" -lasrar som förstärker ultrakorte ljuspulser. För att uppgradera kraften i HERCULES från 300 biljoner watt, eller terawatts (TW), till 500 eller till och med 1, 000 TW, forskarna kommer att ersätta de tre sista av dessa pumplasrar.

Om HERCULES kan uppnå 1, 000 TW, det skulle återigen vara bland de mest kraftfulla lasrarna i USA Oavsett, bulten i kraft kommer att öka ante på sin intensitetsrekord - för närvarande 20 sextillion (2x1022) watt per centimeter i kvadrat. De förbättrade HERCULES bör kunna fördubbla eller till och med tredubbla den intensiteten.

För ett decennium sedan, när ingenjörer i Michigan först byggde HERCULES, de kommersiella pumplasrar som systemet bygger på kunde inte nå de ambitiösa 300 TW-rekordbrytande vid den tiden-som forskarna hade i åtanke. De var tvungna att bygga sina egna pumplasrar. Nu, drivs av ett krav från internationella projekt som söker effektnivåer norr om 10, 000 TW, kommersiella pumplasrar kan överträffa de hemlagade versionerna som körs i HERCULES idag. Denna nya teknik är det som kommer att driva HERCULES till högre effekt och intensitet än någonsin tidigare.

"Denna uppgradering möjliggör en mängd olika experiment, "sa Karl Krushelnick, U-professor i kärnteknik och radiologisk vetenskap och chef för Center for Ultrafast Optical Science, som rymmer HERCULES. "Det finns dessa spännande applikationer, och det öppnar också upp en ny regim vid gränsen för plasmafysik, där kvantfenomen börjar spela en viktig roll. "

Detta är vad forskare måste se fram emot:

• Bordsacceleratorer:Konventionella partikelacceleratorer är ofta hundratals meter långa, men laserljus kan driva partiklarnas acceleration och producera andra högenergistrålar som röntgenstrålar på bara några få kvadratmeter eller mindre. I framtiden, laserdrivna partikelacceleratorer kan hjälpa till att avslöja ny fysik eller driva ultrakompakta röntgenlasrar. Partikel- och röntgenstrålar kan också användas för att bestämma förekomsten av kärnmaterial i fraktbehållare som anländer till hamnar. De används för medicinska behandlingar som strålbehandling.
• Röntgenstrålar som skiljer sig åt mellan mjukvävnader:Röntgenstrålar med hög energi som laserstrålare avger kan möjliggöra avancerad röntgenbildning som kan hitta gränserna mellan mjukvävnad-i motsats till konventionella röntgenstrålar, som är bäst på att plocka ut täta material som ben. När röntgenstrålarna från en laseraccelerator rör sig genom olika material, deras vågor blir synkroniserade i olika grader, och detta kan skilja mellan en lunga och ett hjärta, till exempel. Denna mätmetod skulle vara billigare och ge snabbare resultat än en MR.
• Gammastrålsprängningar - astrofysiska mysterier:Hur produceras bloss i kraftig elektromagnetisk strålning som inte varar längre än några sekunder i rymden? En teori säger att mycket starka magnetfält, nära svarta hål till exempel, kan gå sönder. När magnetfältlinjerna återförenas kan de påskynda partiklar som frigör dessa kraftfulla utbrott av elektromagnetisk energi i form av gammastrålar. Genom att använda HERCULES -lasern i labbet, laget kan skapa starka magnetfält på mikroskopiska skalor som kan bryta isär och återansluta på samma sätt, belyser om detta verkligen är mekanismen bakom gammastrålningsutbrott.
• Frågor om stark fältkvantelektrodynamik:Kvantelektrodynamik - kvantbeskrivningen av ljus och dess interaktioner med materia - har inte testats tillräckligt i vissa extrema situationer. Till exempel, när elektriska fält är tillräckligt starka, fenomenet "kokning av vakuum" förutspås inträffa:materia och antimateria kan spontant uppstå ur ingenting. Elektriska fält som är så starka kan hittas i neutronstjärnans atmosfär, till exempel. Den uppgraderade HERCULES -lasern kan simulera dessa miljöer genom att accelerera elektroner till nära ljusets hastighet, så att - från elektronernas utsiktspunkt - är fälten tillräckligt starka för att generera partiklar från vakuumet. Genom att titta på hur elektronerna beter sig, forskare kan utläsa om förutsägelserna för kvantelektrodynamik är korrekta.

Krushelnick räknar med att HERCULES utökade kapacitet kommer att göra det möjligt för forskare vid UM som specialiserat sig på dessa områden att göra experiment som tidigare var omöjliga. Dessutom, HERCULES driver experiment för forskare runt om i USA och utomlands, så uppgraderingen kommer att göra den mer värdefull som en nationell vetenskaplig resurs.