破纪录的高强度激光脉冲

据悉，近日研究人员在韩国基础科学研究所的相对论激光科学中心(CoReLS)展示了超过1023 W/cm2的创纪录的高能激光脉冲。这个激光强度是2004年密歇根大学研究小组报告的10倍。这些超高强度的光脉冲将使探索光和物质之间复杂的相互作用成为可能，这在以前是不可能的。

这种强大的激光可以用来观测高能宇宙射线产生的现象，这种宇宙射线的能量超过一千万亿电子伏(eV)。尽管科学家们知道这些射线来自太阳系外的某个地方，但它们是如何形成以及是由何形成一直是一个谜。

“这种高强度激光将使我们能够在实验室中研究诸如电子-光子和光子-光子散射等天体物理现象，”CoReLS的主任兼光州科学技术研究所的教授Chang Hee Nam说，“我们可以用它来进行实验测试和验证理论，其中的一些理论在近一个世纪就已经被前提出。” 在OSA的高影响研究期刊《Optica》上，研究人员报告了多年来提高CoReLS激光脉冲强度的结果。研究激光物质相互作用需要一个紧密聚焦的激光束，研究人员能够将激光脉冲聚焦到一微米多一点的光斑，光斑直径不到人类头发直径的五十分之一。这种新的破纪录的激光强度堪比把所有从太阳到达地球的光聚焦到一个10微米的点。

“这种高强度激光将使能我们解决新的和具有挑战性的科学问题，特别是强场量子电动力学，这是主要由理论学者处理，” Nam说。“除了帮助我们更好地理解天体物理现象，它还可以为开发一种使用高能质子治疗癌症的辐射疗法的新来源提供必要的信息支持。” 这项新成就扩展了之前的工作，在之前的工作中，研究人员展示了一种基于钛:蓝宝石的飞秒激光系统，它能产生4PW的脉冲，持续时间小于20飞秒，同时聚焦于一个1微米的点。据报道，这种激光在2017年产生的功率大约是地球上所有电力的1000倍，而激光脉冲只持续了20万亿分之一秒。

为了在目标上产生高强度的激光脉冲，产生的光脉冲必须非常紧密地聚焦。在这项新工作中，研究人员应用自适应光学系统来精确补偿光学畸变。该系统包括可变形的反射镜，该反射镜具有可控的反射表面形状，可以精确矫正激光中的畸变，并产生一个非常好的波前控制光束。然后，他们使用一个大的离轴抛物面镜来获得非常紧的聚焦。这个过程需要精细处理聚焦光学系统。 研究人员们多年来开发超高功率激光器积累的经验，使得他们能够实现将光束大小为28厘米的PW激光聚焦到微米点的艰巨任务，以实现超过1023 W/cm2的激光强度。

研究人员正在使用这些高强度脉冲产生能量超过1 GeV 的电子，并在一个电子同时与几百个激光光子碰撞的非线性状态下工作。这个过程是一种强场量子电动力学，称为非线性康普顿散射，它被认为是产生高能宇宙射线的原因。 他们还将利用超高强度激光产生的辐射压力来加速质子。了解这一过程是如何发生的，将有助于开发一种新的基于激光的癌症治疗质子源。目前的辐射治疗中使用的放射源是利用加速器产生的，这需要一个巨大的辐射屏蔽。激光驱动的质子源有望降低系统成本，使质子肿瘤机器的成本更低，从而更广泛地为患者使用。

在不加大激光系统尺寸的基础上研究人员继续开发新的想法以提高激光强度。实现这一目标的一种方法是找到减少激光脉冲持续时间的新方法。由于峰值功率从1到10 PW的激光器现在已经投入使用，下一步是设计达到100 PW的激光器，毫无疑问在不久的将来，高能物理学将取得巨大的进展。

图：利用F/1.1离轴抛物面镜紧密聚焦多兆瓦的激光束，得到了聚焦强度超过1023 W/cm2的质子加速激光-物质相互作用室。