Ett av ämnena som undersökts i nyare fysikstudier är starkfältskvantumelektrodynamik (SF-QED). Än så länge, detta område har sällan utforskats tidigare, främst för att den experimentella observationen av SF-QED-processer skulle kräva extremt höga ljusintensiteter (> 10 ²⁵ B/cm ² ), över tre storleksordningar högre än de som uppnåddes med de mest intensiva lasrarna av PetaWatt (PW)-klass som finns tillgängliga idag.

En SF-QED-process som har visat sig vara särskilt svår att observera är Schwinger-processen. Detta är en process som sker nära den så kallade Schwinger-gränsen (10 ²⁹ /centimeter ² ), som är associerad med den optiska nedbrytningen av kvantvakuumet och produktionen av produktiva elektron/positronparplasma.

För att observera Schwingerprocessen, såväl som andra SF-QED-processer, fysiker skulle behöva kunna nå ljusintensiteter över 10 ²⁵ B/cm ² och upp till 10 ²⁹ /centimeter ² . Ett möjligt sätt att producera dessa starka ljusfält kan vara att reflektera laserpulser med hög effekt från en krökt relativistisk spegel, speglar i plasma som består av tunna täta elektronlager accelererade av högintensiva elektromagnetiska vågor.

Forskare vid Lasers Interactions and Dynamics Laboratory (LIDYL) vid den franska atomenergikommissionen (CEA) har nyligen bevisat att sådana böjda relativistiska speglar kan produceras när en mycket intensiv laserpuls joniserar ett fast mål och skapar en tät plasma som reflekterar infallande ljus . Deras papper, publicerad i Naturfysik , kan få viktiga konsekvenser för framtida forskning som syftar till att observera SF-QED-processer.

"Nyligen, vår grupp föreslog ett nytt sätt att avsevärt öka intensiteten hos nuvarande högeffektlasrar med mer än tre storleksordningar, använder anmärkningsvärda optiska element som kallas "relativistiska plasmaspeglar", "Henri Vincenti, en av forskarna som genomförde studien, berättade Phys.org . "Dessa speglar kan erhållas genom att fokusera en högeffektlaser på ett initialt solidt och optiskt plant mål."

Väsentligen, Vincenti och hans kollegor teoretiserade att när en högeffektlaser fokuseras på en initialt solid, optiskt platt mål, det skapar en tät plasma vid laserfokus. Denna plasma kan speglar det infallande ljuset.

"Vid reflektion över denna 'plasmaspegel', laserns elektriska fält får dess yta att svänga med relativistiska hastigheter, bildar alltså vad vi kallar en relativistisk oscillerande spegel (ROM), ", sa Vincenti. "Denna ROM komprimerar periodiskt det reflekterade ljuset i tur och ordning via den så kallade Dopplereffekten. Denna periodiska kompression ger ett tåg av sub-femtosekunds- eller attosekundsljuspulser, associerat med ett Dopplerövertonsspektrum i frekvensdomänen."

Förutom denna "tidskompression", den infallande laserstrålen inducerar ett rumsligt inhomogent strålningstryck på plasmaspegelns yta, där laserns intensitet är högre i mitten av laserns brännpunkt än på kanterna. Detta strålningstryck kröker slutligen plasmaspegelns yta. Denna observation skulle alltså kunna öppna upp nya möjligheter för utforskning av SF-QED-processer i experiment med laserteknik.

"Det primära syftet med vårt senaste arbete var att visa att ROM krökt av strålningstryck kan temporärt komprimera en högeffektlaser och fokusera det Doppler-uppskiftade harmoniska innehållet med utmärkt optisk kvalitet, " sa Vincenti. "För att uppnå detta, vi föreslår en ny mätteknik för att helt karakterisera den rumsliga-temporala profilen för det reflekterade ljuset från en plasmaspegel i experiment."

Det första målet med den nyligen genomförda studien av Quéré, Vincenti och deras kollegor skulle karakterisera de spatio-temporala egenskaperna hos plasmaspegelljuskällor, för att möjliggöra användningen av dem i experiment. Karakteriseringen av dessa egenskaper skulle, till exempel, tillåta forskare att fokusera plasma-spegelljuskällor på materieprover för att nå SF-QED-dominerade regimer eller använda dem för att utföra attosecond pump-probe-experiment och sondelektrondynamik i atomer. Dessutom, forskarna hoppades att deras arbete skulle göra det möjligt att jämföra mätningar som samlats in i tidigare experiment med befintliga teoretiska och numeriska modeller av plasmaspegelkällor.

"Ända tills nu, mättekniker kunde bara hämta antingen tidsinformation eller rumslig information men inte båda samtidigt, " sa Vincenti. "För rumslig information, en vanlig teknik som används kallas 'ptykografi' och tillåter en fullständig rumslig karakterisering av en ljuskälla vid olika våglängder."

Ptychografi gör det möjligt för forskare att uppnå en fullständig rumslig karaktärisering av ljuskällor genom att placera ett objekt i närfältet skannat genom en ljusstråle på olika positioner över ett givet plan. Genom att undersöka utvecklingen av diffraktionsmönstret i fjärrfältet, som en funktion av objektets position i planet, potentiellt använda en fasåtervinningsalgoritm, forskare kan hämta den rumsliga amplituden och fasen för både objektet och ljuskällan.

Medan många fysiker har använt ptychografi tidigare, denna teknik tillåter vanligtvis inte forskare att hämta tidsmässig information, eftersom objektet placerat i närfältet är fixerat. Quéré, Vincenti och deras kollegor utarbetade alltså en alternativ teknik som skulle göra det möjligt för fysiker att även hämta tidsmässig information om objektet och ljuskällan. Denna teknik innebär skapandet av ett ptykografiskt objekt som kan röra sig på attosecond-tidsskalan, möjliggör hämtning av både rumslig och tidsmässig information.

"Detta objekt kan erhållas genom att använda en andra ljusstråle med frekvens 2 omega (omega är frekvensen för huvudlaserpulsen) fokuserad i en vinkel i förhållande till huvudlaserstrålen, " sa Quéré. "Genom att skanna fördröjningen mellan de två strålarna, man kan ändra objektets position med avseende på emissionstiden för de successiva attosekundpulserna som emitteras av plasmaspegeln. En fasåtervinningsalgoritm kan sedan erhållas för att hämta den fullständiga spatio-temporala profilen för ljuset som reflekteras av plasmaspegeln."

Med den teknik de utvecklade, kallad "dynamycal ptychography", Quéré och hans kollegor kunde hämta spatio-temporal amplitud och fasprofil för attosecondpulser som emitteras av plasmaspeglar vid både måttlig och ultrahög intensitet.

I sista hand, tekniken som föreslagits av detta team av forskare kan hjälpa strävan att nå höga ljusintensiteter med hjälp av plasmaspeglar. Till exempel, det kan hjälpa fysiker att uppskatta intensiteten som kan uppnås med hjälp av plasmaspeglar med hög noggrannhet, samtidigt som de låter dem korrelera dessa mätningar med SF-QED-processerna som observerats i tidigare experiment (t.ex. elektron/positron-par, gammastrålar, etc.).

"Än så länge, vi har framgångsrikt tillämpat dynamisk ptychografi på 100TeraWatt-klasslasrar, ", sa Vincenti. "Nästa viktiga milstolpe blir att implementera det på laseranläggningar av PW-klass, där intensitetsökningen av relativistiska plasmaspeglar förväntas vara storleksordningar högre."

© 2021 Science X Network