等離子體中脈沖壓縮的概念

英國和韓國的科學(xué)家提出了一種產(chǎn)生激光脈沖的新方法，其功率是現(xiàn)有激光脈沖的1000多倍。

科學(xué)家們使用計算機模擬聯(lián)合研究，展示了一種壓縮光的新方法，以充分提高光的強度，從真空中提取粒子并研究物質(zhì)的性質(zhì)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，三個小組共同制作了一種非常特殊的鏡子——這種鏡子不僅能反射光脈沖，還能及時將光脈沖壓縮兩百倍以上，并有可能進一步壓縮。

斯特拉斯克萊德大學(xué)、UNIST和GIST的研究小組提出一個簡單的想法——利用等離子體密度梯度，等離子體是完全電離的物質(zhì)，使光子“聚集”，類似于一群拉開的汽車在遇到陡坡時聚集在一起。這可能會徹底改變下一代激光器，使其功率比現(xiàn)在可實現(xiàn)的功率增加一百萬倍以上。

在《自然·光子學(xué)》雜志上發(fā)表了等離子體中壓縮激光脈沖的新方法。

世界上最高功率的激光器的峰值功率約為10拍瓦。就這一點而言，173拍瓦(173×1015W)的陽光到達地球高層大氣，其中約三分之一到達地球表面。一個拍瓦是1015W，一個exawatt是1018W，一個zettawatt是1021W。太陽產(chǎn)生的功率為4x1026W或400,000 zettawatts。

高功率激光器產(chǎn)生持續(xù)時間很短的光脈沖，通常為幾個飛秒(1飛秒為10-15秒)，這是通過使用一種稱為啁啾脈沖放大(CPA)的技術(shù)實現(xiàn)的。CPA涉及脈沖壓縮，它將激光脈沖能量集中在短時間內(nèi)，從而使其峰值功率增加許多數(shù)量級。

斯特拉斯克萊德大學(xué)物理系的迪諾·雅羅斯辛斯基教授說：“一個重要而基本的問題是，當(dāng)光強度超過地球上常見的水平時會發(fā)生什么。高功率激光使科學(xué)家能夠回答有關(guān)物質(zhì)和真空性質(zhì)的基本問題，并探索所謂的強度前沿。將太瓦特激光應(yīng)用于皮瓦特激光，使下一代激光等離子加速器得以發(fā)展，這種加速器比傳統(tǒng)加速器小數(shù)千倍。為科學(xué)家提供新工具正在改變科學(xué)研究的進行方式。我們在斯特拉斯克萊德大學(xué)建立了蘇格蘭等離子加速器應(yīng)用中心(SCAPA)，以推動基于高功率激光的應(yīng)用。”

UNIST的Min Sip Hur教授說：“這項研究的結(jié)果有望應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括先進的理論物理和天體物理學(xué)。它也可以用于激光聚變研究，以幫助解決人類面臨的能源問題。我們的韓國和英國聯(lián)合團隊計劃在實驗室里對這一想法進行實驗測試。”

GIST的Hyyong Suk教授說：“等離子體在CPA系統(tǒng)中可以發(fā)揮類似于傳統(tǒng)衍射光柵的作用，但它是一種不會損壞的材料。因此，它可以通過一個非常簡單的附加組件來增強傳統(tǒng)的CPA技術(shù)。即使只有幾厘米大小的等離子體，它也可以用于峰值功率超過艾瓦的激光器。”

Exawatt和zettawatt看起來像很多能量，它們當(dāng)然是的，但通過使用透鏡或曲面鏡將激光脈沖聚焦到一個小點，集中其能量，其強度可以大大增加。與將激光脈沖在時間上壓縮到短時間類似，在空間上可以通過壓縮脈沖來達到同樣的效果，即將其聚焦到一個小點。因此，壓縮在空間或時間上，可以增加激光脈沖的強度。空間壓縮很容易用透鏡將陽光聚焦到一張紙上進行測試，它會自發(fā)燃燒。

物質(zhì)在強度增加時會發(fā)生各種變化。例如，空氣在可見光波長為1010-1012W/cm2以上時被電離，當(dāng)電子受到強度為1018W/cm2以上的激光照射時，它們接近光速，這導(dǎo)致了相對論光學(xué)領(lǐng)域。

在1024W/cm2及以上的強度下，質(zhì)子接近光速，經(jīng)歷強激光場的粒子對其自身的輻射場產(chǎn)生反應(yīng)，這是物理學(xué)中的當(dāng)前強度前沿。在1029W/cm2以上的強度下，即所謂的施溫格極限，粒子直接從真空產(chǎn)生——光可以直接轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。這需要exawatt到zettawatt的激光。

在強度超過1024W/cm2的條件下，了解物質(zhì)和真空的性質(zhì)是現(xiàn)代物理學(xué)面臨的突出挑戰(zhàn)之一。高功率激光器還使人們能夠在實驗室中研究天體物理現(xiàn)象，為人們提供了獨特的機會，可以一窺恒星的內(nèi)部和宇宙的起源。

審核編輯 黃宇