Bicie rekordów impulsów laserowych pozwala na badanie zjawisk astrofizycznych w laboratorium

Koncepcja artysty.

Naukowcy wykazali standardowe, wysokie natężenie impulsu laserowego, wynoszące ponad 1023 W / cm2 Korzystanie z laserów Betawatt w Center for Relative Laser Science (CoReLS), Institute of Basic Sciences of the Republic of Korea. Osiągnięcie tej gęstości lasera zajęło ponad dekadę, dziesięciokrotnie więcej niż podał zespół z University of Michigan w 2004 roku. Te impulsy światła o wysokiej intensywności umożliwią badanie złożonych interakcji między światłem a materią w sposób, który nie był możliwe wcześniej.

Potężny laser można wykorzystać do zbadania zjawisk, które uważa się za odpowiedzialne za wysokoenergetyczne promienie kosmiczne, których energie przekraczają biliard (1015) elektronowoltów (eV). Chociaż naukowcy wiedzą, że te promienie pochodzą spoza naszego Układu Słonecznego, to jak są one wykonane iz czego są zrobione, pozostało starożytną tajemnicą.

„Ten laser o wysokiej intensywności pozwoli nam zbadać astrofizyczne zjawiska, takie jak rozpraszanie elektronów, fotonów i fotonów w laboratorium” – powiedział Chang Hee Nam, dyrektor CoReLS i profesor w Gwangju Institute of Science and Technology. „Możemy go użyć do przetestowania i eksperymentalnego osiągnięcia pomysłów teoretycznych, z których niektóre zostały po raz pierwszy zaproponowane prawie sto lat temu”.

w WizualnyJest to Journal of the Optical Association (OSA) dla badań o dużym wpływie, naukowcy przedstawili wyniki wieloletnich prac nad zwiększeniem intensywności impulsów laserowych z laserów CoReLS. Badanie interakcji materiałów laserowych wymaga silnie zogniskowanej wiązki laserowej, a naukowcom udało się skupić impulsy laserowe na plamce o rozmiarze nieco ponad jednego mikrona, czyli mniej niż jedna-pięćdziesiąt średnicy ludzkiego włosa. Nowe rekordowe natężenie lasera można porównać do stężenia całego światła docierającego do Ziemi od Słońca do plamki o wielkości 10 mikronów.

Lasery CoReLS

Naukowcy wytworzyli impulsy o wysokiej intensywności za pomocą lasera betawatowego (na zdjęciu) w Centrum Relatywnej Nauki o Laserach (CoReLS) w Republice Korei. Ten laser o wysokiej intensywności umożliwi naukowcom badanie zjawisk astrofizycznych, takich jak rozpraszanie elektronów, fotonów i fotonów w laboratorium. Źródło: Chang Hee Nam, CoReLS

„Ten laser o wysokiej intensywności pozwoli nam zająć się nowymi i wymagającymi naukami, zwłaszcza elektrodynamiką silnego pola kwantowego, którą zajmowali się głównie teoretycy” – powiedział Nam. „Oprócz pomocy w lepszym zrozumieniu zjawisk astrofizycznych, może również dostarczyć informacji potrzebnych do opracowania nowych źródeł radioterapii, która wykorzystuje wysokoenergetyczne protony do leczenia raka”.

Zwiększ gęstość impulsów

Nowy przełom obejmuje poprzednie prace, w których naukowcy zademonstrowali system lasera femtosekundowego, oparty na Ti: Sapphire, który wytwarza impulsy o 4 petawatach (PW) z okresami krótszymi niż 20 femtosekund, skupiając się na plamce 1 μm. Ten laser, zgłoszony w 2017 r., Wyprodukował około 1000 razy więcej energii niż cała energia elektryczna na Ziemi w impulsie laserowym trwającym zaledwie dwadzieścia części na milionową część sekundy.

Aby wytworzyć na celu impulsy laserowe o dużej intensywności, generowane impulsy świetlne muszą być bardzo mocno zogniskowane. W tej nowej pracy naukowcy zastosowali system optyki adaptacyjnej, aby precyzyjnie kompensować zniekształcenia optyczne. System ten obejmuje odkształcalne lustra – które mają kontrolowany odblaskowy kształt powierzchni – aby precyzyjnie korygować zniekształcenia w laserze i generować wiązkę o dobrze kontrolowanym czole fali. Następnie użyli dużego pozaosiowego lustra, aby uzyskać bardzo wąskie ogniskowanie. Ten proces wymaga ostrożnego obchodzenia się z optycznym systemem ogniskowania.

Komora interakcji między laserem a substancją

Komora reakcyjna materiału laserowego przyspieszania protonów, w której gęstość ogniskowa jest większa niż 1023 W / cm2 Świadczy o tym intensywne skupienie wielobitowej wiązki lasera z pozaosiowym zwierciadłem parabolicznym F / 1.1. Kredyt: Zhang Hee Nam

„Nasze wieloletnie doświadczenie zdobyte podczas opracowywania laserów o dużej mocy pozwoliło nam wykonać ogromne zadanie polegające na ogniskowaniu lasera PW o wielkości wiązki 28 cm na plamce mikrometrycznej w celu uzyskania gęstości lasera przekraczającej 1023 W / cm2Zasnął.

Badaj procesy wysokoenergetyczne

Naukowcy wykorzystują te impulsy o wysokiej intensywności do wytwarzania elektronów o energii większej niż 1 GeV (109 MeV) i do pracy w układzie nieliniowym, w którym jeden elektron zderza się jednocześnie z kilkuset fotonami laserowymi. Proces ten jest rodzajem elektrodynamiki kwantowej silnego pola, zwanym nieliniowym rozpraszaniem Comptona, który, jak się uważa, przyczynia się do generowania wysokoenergetycznych promieni kosmicznych.

Wykorzystają również ciśnienie promieniowania lasera o dużej intensywności do przyspieszenia protonów. Zrozumienie, jak przebiega ten proces, może pomóc w opracowaniu nowego laserowego źródła protonów do leczenia raka. Źródła stosowane obecnie w radioterapii są tworzone za pomocą akceleratora, który wymaga masywnej osłony przed promieniowaniem. Oczekuje się, że źródło protonów zasilane laserem obniży koszt systemu, sprawiając, że urządzenie do terapii protonowej będzie tańsze, a przez to szeroko dostępne dla pacjentów.

Naukowcy nadal opracowują nowe pomysły na dalsze zwiększanie gęstości lasera bez znacznego zwiększania rozmiaru systemu laserowego. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego jest odkrycie nowego sposobu na skrócenie czasu trwania impulsu laserowego. Przy obecnie pracujących laserach o maksymalnej mocy od 1 do 10 PW i planowanych obiektach o mocy do 100 PW nie ma wątpliwości, że fizyka wysokich intensywności znacznie się rozwinie w najbliższej przyszłości.

Odniesienie: „Uzyskanie intensywności lasera powyżej 1023 W / cm2JW Yoon, YG Kim, IW Choi, JH Sung, HW Lee, SK Lee i CH Nam 6 maja 2021 r., Wizualny.
DOI: 10.1364 /optyka.420520

You May Also Like

About the Author: Ellen Doyle

„Amatorski praktykujący muzykę. Wieloletni przedsiębiorca. Odkrywca. Miłośnik podróży. Nieskrępowany badacz telewizji”.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *