破纪录的高能激光脉冲可实现在实验室研究天体物理现象

研究人员利用韩国基础科学研究所相对论激光科学中心（CoReLS）的petawatt激光器，展示了超过1023 W/cm2的创纪录的高激光脉冲强度。 达到这个激光强度花了十多年的时间，是密歇根大学的一个团队在2004年所创下纪录的十倍。这些超高强度的光脉冲将使人们能够以以前不可能的方式探索光和物质之间的复杂相互作用。

这个强大的激光器可以用来研究被认为是高功率宇宙射线的现象，这些射线的能量超过千兆（1015）电子伏特（eV）。尽管科学家们知道这些射线来自我们太阳系之外的某个地方，但它们是如何产生的以及是什么在形成它们一直是一个长期的谜。

“CoReLS主任、光州科技学院教授Chang Hee Nam说：“这种高强度的激光器将使我们能够在实验室里研究天体物理现象，如电子-光子和光子散射。“我们可以用它来实验测试和获取理论观点，其中一些观点是在近一个世纪前首次提出的。”

在光学学会（OSA）的高影响研究杂志《Optica》上，研究人员报告了多年来提高CoReLS激光器的激光脉冲强度的工作成果。研究激光的物质相互作用需要一束紧密聚焦的激光，研究人员能够将激光脉冲聚焦到刚刚超过一微米的光斑大小，不到人类头发直径的五十分之一。新的破纪录的激光强度相当于将所有从太阳到达地球的光线聚焦到一个10微米的光斑。

这项新成就扩展了之前的工作，研究人员展示了一个基于Ti:Sapphire的飞秒激光系统，它能产生持续时间不到20飞秒的4 petawatt（PW）脉冲，同时聚焦到一个1微米的点上。这种激光器在2017年被报道，在一个仅持续二十万亿分之一秒的激光脉冲中产生的功率大约是地球上所有电力的1000倍。

为了在目标上产生高强度的激光脉冲，产生的光脉冲必须被极度紧密地聚焦。在这项新工作中，研究人员应用一个自适应光学系统来精确补偿光学失真。这个系统涉及到可变形的镜子，它具有可控制的反射面形状来精确地纠正激光器的失真，并产生一个具有非常好的控制波前的光束。然后，他们使用一个大的离轴抛物面镜来实现一个极其紧密的焦点。这一过程需要对聚焦光学系统进行精细处理。

研究人员正在利用这些高强度的脉冲产生能量超过1 GeV（109 eV）的电子，并在非线性体系中工作，其中一个电子与几百个激光光子同时碰撞。这个过程是一种被称为非线性康普顿散射的强场量子电动力学，它被认为有助于极高能量宇宙射线的产生。

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，可以帮助开发一种新的基于激光的质子源用于癌症治疗。今天的辐射治疗中使用的源是使用加速器产生的，需要一个巨大的辐射防护罩。激光驱动的质子源有望降低系统成本，从而更广泛地为患者所接受。

研究人员继续开发新的想法，以便在不大幅增加激光系统尺寸的情况下更多地增强激光强度。实现这一目标的方法之一是找出一种减少激光脉冲时间的新方法。由于峰值功率从1到10PW的激光器现在已经投入使用，并且有几个达到100PW的设施正在计划中，毫无疑问，高强度物理学将在不久的将来取得巨大的进展。