破紀錄的高能激光脈衝可實現在實驗室研究天體物理現象

研究人員利用韓國基礎科學研究所相對論激光科學中心（CoReLS）的petawatt激光器，展示了超過1023 W/cm2的創紀錄的高激光脈衝強度。 達到這個激光強度花了十多年的時間，是密歇根大學的一個團隊在2004年所創下紀錄的十倍。這些超高強度的光脈衝將使人們能夠以以前不可能的方式探索光和物質之間的複雜相互作用。

這個強大的激光器可以用來研究被認為是高功率宇宙射線的現象，這些射線的能量超過千兆（1015）電子伏特（eV）。儘管科學家們知道這些射線來自我們太陽系之外的某個地方，但它們是如何產生的以及是什麼在形成它們一直是一個長期的謎。

“CoReLS主任、光州科技學院教授Chang Hee Nam説：“這種高強度的激光器將使我們能夠在實驗室裏研究天體物理現象，如電子-光子和光子散射。“我們可以用它來實驗測試和獲取理論觀點，其中一些觀點是在近一個世紀前首次提出的。”

在光學學會（OSA）的高影響研究雜誌《Optica》上，研究人員報告了多年來提高CoReLS激光器的激光脈衝強度的工作成果。研究激光的物質相互作用需要一束緊密聚焦的激光，研究人員能夠將激光脈衝聚焦到剛剛超過一微米的光斑大小，不到人類頭髮直徑的五十分之一。新的破紀錄的激光強度相當於將所有從太陽到達地球的光線聚焦到一個10微米的光斑。

這項新成就擴展了之前的工作，研究人員展示了一個基於Ti:Sapphire的飛秒激光系統，它能產生持續時間不到20飛秒的4 petawatt（PW）脈衝，同時聚焦到一個1微米的點上。這種激光器在2017年被報道，在一個僅持續二十萬億分之一秒的激光脈衝中產生的功率大約是地球上所有電力的1000倍。

為了在目標上產生高強度的激光脈衝，產生的光脈衝必須被極度緊密地聚焦。在這項新工作中，研究人員應用一個自適應光學系統來精確補償光學失真。這個系統涉及到可變形的鏡子，它具有可控制的反射面形狀來精確地糾正激光器的失真，併產生一個具有非常好的控制波前的光束。然後，他們使用一個大的離軸拋物面鏡來實現一個極其緊密的焦點。這一過程需要對聚焦光學系統進行精細處理。

研究人員正在利用這些高強度的脈衝產生能量超過1 GeV（109 eV）的電子，並在非線性體系中工作，其中一個電子與幾百個激光光子同時碰撞。這個過程是一種被稱為非線性康普頓散射的強場量子電動力學，它被認為有助於極高能量宇宙射線的產生。

他們還將利用超高強度激光產生的輻射壓力來加速質子。瞭解這一過程是如何發生的，可以幫助開發一種新的基於激光的質子源用於癌症治療。今天的輻射治療中使用的源是使用加速器產生的，需要一個巨大的輻射防護罩。激光驅動的質子源有望降低系統成本，從而更廣泛地為患者所接受。

研究人員繼續開發新的想法，以便在不大幅增加激光系統尺寸的情況下更多地增強激光強度。實現這一目標的方法之一是找出一種減少激光脈衝時間的新方法。由於峯值功率從1到10PW的激光器現在已經投入使用，並且有幾個達到100PW的設施正在計劃中，毫無疑問，高強度物理學將在不久的將來取得巨大的進展。