近期，韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所相對(duì)論激光科學(xué)中心（CoReLS）的研究人員使用拍瓦級(jí)激光器刷新了激光脈沖強(qiáng)度的世界紀(jì)錄，超過1023W/cm2。此前，激光脈沖強(qiáng)度的世界紀(jì)錄是由美國(guó)密歇根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在 2004年創(chuàng)造的。新的世界紀(jì)錄比上一次足足高出了10倍。研究人員的報(bào)告刊登在國(guó)外專業(yè)期刊雜志Optica 上。該文章是研究團(tuán)隊(duì)提高激光器產(chǎn)生的激光脈沖強(qiáng)度所做的多年努力的結(jié)果。

　　研究人員表示，該成就是在先前工作的基礎(chǔ)上獲得的。研究人員展示了飛秒鈦寶石激光器（Ti:sapphire laser）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生4 拍瓦（PW）的激光脈沖，持續(xù)時(shí)間少于20fs，聚焦的光斑可達(dá)1μm。鈦寶石激光器最早于2017 年問世，超高強(qiáng)度激光脈沖的實(shí)現(xiàn)，將使人們能夠以前所未有的方式探索光與物質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用。

　　研究團(tuán)隊(duì)通過更緊密地聚焦光束實(shí)現(xiàn)了激光脈沖強(qiáng)度的新里程碑。研究人員使用離軸拋物面鏡將28cm 的激光束聚焦到僅1.1μm 寬的點(diǎn)上。只有在沒有波前畸變激光束的情況下，才能達(dá)到衍射極限緊密聚焦的水平。為了實(shí)現(xiàn)激光束的純凈度，研究小組使用了一組可變形的鏡子來校正波前畸變。

　　CoReLS 制成的4 拍瓦激光器是一臺(tái)基于啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的飛秒超高功率鈦寶石激光器。脈沖擴(kuò)展器將來自前端的低能量飛秒脈沖擴(kuò)展為納秒脈沖，然后通過兩個(gè)功率放大器將其放大至4.5J，然后通過兩個(gè)升壓放大器將其放大至112J。激光束的大小通過一系列擴(kuò)束器沿其路徑增加：分別在功率放大器之后25mm，在第一升壓放大器的入口處65mm，在第二升壓放大器的入口處85mm，在脈沖壓縮機(jī)入口處的280mm。在脈沖壓縮器中，激光脈沖被重新壓縮到20fs，在壓縮后其峰值功率達(dá)到4 拍瓦。

　　為了在目標(biāo)上產(chǎn)生高強(qiáng)度的激光脈沖，必須非常緊密地聚焦產(chǎn)生的光脈沖。在這項(xiàng)新工作中，研究人員應(yīng)用了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)以精確補(bǔ)償光學(xué)畸變。該系統(tǒng)包括可變形的反射鏡，該反射鏡具有可控制的反射表面形狀，可精確地校正激光器中的畸變并產(chǎn)生具有非常良好控制的波前光束。然后，他們使用了一個(gè)大的離軸拋物面反射鏡來獲得非常緊密的聚焦。這個(gè)過程需要聚焦光學(xué)系統(tǒng)的精細(xì)處理。

　　在最后一個(gè)升壓放大器之后，研究人員放置了第一個(gè)直徑為100mm 的可變形反射鏡，以校正累積到最終擴(kuò)束器前端的波前畸變。在脈沖壓縮器，光束傳輸線和目標(biāo)區(qū)域之后，安裝了直徑為310mm 的第二個(gè)可變形反射鏡。在目標(biāo)室中，拍瓦激光束通過f/1.1離軸拋物面鏡聚焦，其有效焦距為300mm。

　　為了對(duì)聚焦點(diǎn)進(jìn)行成像和表征，研究人員通過物鏡對(duì)聚焦光束進(jìn)行準(zhǔn)直然后通過分束器將其分為兩束，用于聚焦和波前表征。同時(shí)，研究人員還使用了照相機(jī)來對(duì)反射激光束進(jìn)行焦點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

　　CoReLS 主任兼光州科技學(xué)院教授Chang Hee Nam表示：“這種高強(qiáng)度激光將使我們能夠在實(shí)驗(yàn)室中檢查諸如電子光子和光子- 光子散射之類的天體物理學(xué)現(xiàn)象。我們可以使用它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性測(cè)試和驗(yàn)證理論，其中的有些理論是近一個(gè)世紀(jì)前首次提出的。”他補(bǔ)充說，強(qiáng)激光將對(duì)強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)具有重要作用。

　　研究人員正在使用這些高強(qiáng)度脈沖來產(chǎn)生能量超過 1GeV（109eV）的電子，并在非線性狀態(tài)下工作，在該非線性狀態(tài)下，一個(gè)電子立即與數(shù)百個(gè)激光光子發(fā)生碰撞。該過程是一種稱為非線性康普頓散射的強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)。研究人員認(rèn)為它有助于產(chǎn)生極高能的宇宙射線。

　　激光脈沖強(qiáng)度紀(jì)錄的刷新，不僅可以幫助科研人員更好地理解天體物理學(xué)現(xiàn)象，還可以為開發(fā)一種新放射源提供必要的信息，為將來使用高能質(zhì)子治療癌癥的放射治療打下基礎(chǔ)。研究人員利用超高強(qiáng)度激光產(chǎn)生的輻射壓力來加速質(zhì)子。了解這一過程是如何發(fā)生的，可以幫助開發(fā)一種新的基于激光的質(zhì)子源用于癌癥治療。當(dāng)今的放射治療中，使用的放射源需要巨大防輻射罩才能安全使用。預(yù)計(jì)激光驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子源將降低系統(tǒng)成本，從而使質(zhì)子源腫瘤治療設(shè)備的成本降低。

　　目前，研究人員不斷提出新的想法，以在不顯著增加激光系統(tǒng)尺寸的情況下，進(jìn)一步提高激光強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)此目的的一種方法是找出減少激光脈沖持續(xù)時(shí)間的新方法。由于目前正在運(yùn)行峰值功率范圍為1PW-10PW 的激光器，并且計(jì)劃中的一些設(shè)施達(dá)到100PW，毫無疑問，高強(qiáng)度激光脈沖應(yīng)用將在不久的將來取得長(zhǎng)足發(fā)展。

關(guān)注讀覽天下微信， 100萬篇深度好文， 等你來看……