Forskare har visat en rekordhög laserpulsintensitet på över 10 ²³ W/cm ² använder petawatt -lasern vid Center for Relativistic Laser Science (CoReLS), Institute for Basic Science i Republiken Korea. Det tog mer än ett decennium att nå denna laserintensitet, vilket är tio gånger det som rapporterades av ett team vid University of Michigan 2004. Dessa ultrahöga intensitetsljuspulser kommer att möjliggöra utforskning av komplexa interaktioner mellan ljus och materia på sätt som inte var möjliga tidigare.

Den kraftfulla lasern kan användas för att undersöka fenomen som man tror är ansvariga för kosmiska strålar med hög effekt, som har energier på mer än en kvadrillion (10 ¹⁵ ) elektronvolt (eV). Även om forskare vet att dessa strålar kommer från någonstans utanför vårt solsystem, hur de är gjorda och vad som bildar dem har varit ett långvarigt mysterium.

"Denna högintensiva laser gör att vi kan undersöka astrofysiska fenomen som elektron-foton och foton-foton-spridning i labbet, "sa Chang Hee Nam, chef för CoReLS och professor vid Gwangju Institute of Science &Technology. "Vi kan använda den för att experimentellt testa och få tillgång till teoretiska idéer, varav några först föreslogs för nästan ett sekel sedan. "

I Optica , forskarna rapporterar resultaten av många års arbete för att öka intensiteten hos laserpulser från CoReLS -lasern. Att studera laserämnesinteraktioner kräver en tätt fokuserad laserstråle och forskarna kunde fokusera laserpulserna till en platsstorlek på drygt en mikron, mindre än en femtedel av diametern på ett människohår. Den nya rekordstarka laserintensiteten är jämförbar med att fokusera allt ljus som når jorden från solen till en plats på 10 mikron.

"Denna högintensiva laser låter oss ta itu med ny och utmanande vetenskap, särskilt stark fältkvantelektrodynamik, som huvudsakligen har behandlats av teoretiker, "sa Nam." Förutom att hjälpa oss att bättre förstå astrofysiska fenomen, det kan också ge den information som är nödvändig för att utveckla nya källor för en typ av strålbehandling som använder protoner med hög energi för att behandla cancer. "

Att göra pulser mer intensiva

Den nya prestationen utökar tidigare arbete där forskarna demonstrerade ett femtosekundlasersystem, baserat på Ti:Sapphire, som producerar 4 petawatt (PW) pulser med en varaktighet på mindre än 20 femtosekunder medan de är fokuserade till en 1 mikrometer plats. Denna laser, som rapporterades 2017, producerade en effekt ungefär 1, 000 gånger större än all elektrisk kraft på jorden i en laserpuls som bara varar tjugo kvadriljondelar av en sekund.

För att producera högintensiva laserpulser på målet, de genererade optiska pulserna måste fokuseras extremt tätt. I detta nya arbete, forskarna tillämpar ett adaptivt optiksystem för att exakt kompensera optiska snedvridningar. Detta system innefattar deformerbara speglar-som har en kontrollerbar reflekterande ytform-för att exakt korrigera distorsioner i lasern och generera en stråle med en mycket välkontrollerad vågfront. De använde sedan en stor parabolisk spegel utanför axeln för att uppnå ett extremt tätt fokus. Denna process kräver känslig hantering av det optiska fokuseringssystemet.

"Vår mångåriga erfarenhet av att utveckla ultrahögeffektlasrar tillät oss att utföra den formidabla uppgiften att fokusera PW -lasern med strålstorleken på 28 cm till en mikrometerplats för att uppnå en laserintensitet som överstiger 10 ²³ W/cm ² , "sa Nam.

Studerar högenergiprocesser

Forskarna använder dessa högintensiva pulser för att producera elektroner med en energi över 1 GeV (10 ⁹ eV) och att arbeta inom den olinjära regimen där en elektron kolliderar med flera hundra laserfotoner samtidigt. Denna process är en typ av stark fältkvantelektrodynamik som kallas olinjär Compton -spridning, som antas bidra till genereringen av extremt energiska kosmiska strålar.

De kommer också att använda strålningstrycket som skapas av laser med ultrahög intensitet för att accelerera protoner. Att förstå hur denna process sker kan hjälpa till att utveckla en ny laserbaserad protonkälla för cancerbehandlingar. Källor som används i dagens strålbehandlingar genereras med hjälp av en accelerator som kräver en enorm strålsköld. En laserdriven protonkälla förväntas minska systemkostnaden, vilket gör protononkologi -maskinen billigare och därmed mer allmänt tillgänglig för patienter.

Forskarna fortsätter att utveckla nya idéer för att öka laserintensiteten ännu mer utan att signifikant öka storleken på lasersystemet. Ett sätt att åstadkomma detta skulle vara att ta reda på ett nytt sätt att minska laserpulsens varaktighet. Eftersom lasrar med toppeffekter från 1 till 10 PW nu är i drift och flera anläggningar som når 100 PW planeras, det råder ingen tvekan om att fysiken med hög intensitet kommer att utvecklas enormt inom en snar framtid.