Utländska team utvecklar nytt sätt att skapa laserpulser med 1,000 gånger mer kraft!

Nyligen använde forskare i en gemensam studie datorsimuleringar för att demonstrera en ny metod för att komprimera ljus för att öka dess intensitet tillräckligt för att extrahera partiklar från ett vakuum och studera materiens natur.
För att uppnå detta har de tre forskargrupperna gått samman för att skapa en mycket speciell spegel – en som inte bara reflekterar ljuspulser, utan också komprimerar dem i tid med en faktor på mer än 200, med potential för ytterligare komprimering.
Teamet från University of Strathclyde, UNIST och GIST kom på en enkel idé - att använda gradienter i plasmadensiteten (fullständigt joniserad materia) för att "klustra" fotoner, liknande en uppsättning utsträckta bilar! när man möter en brant backe. Detta kan revolutionera nästa generations lasrar och öka deras kraft med mer än en miljon gånger vad som är möjligt idag.
Denna nya metod för att komprimera laserpulser i ett plasma publiceras i tidskriften Nature Photonics.
De mest kraftfulla lasrarna i världen har en toppeffekt på cirka 10 beat watt. I detta sammanhang når 173 beat-watt (173 x 1015 W) solljus jordens övre atmosfär, med ungefär en tredjedel av det som når jordens yta. En beat-watt är 1015 W, en ewatt är 1018 W och en zephyr-watt är 1021 W. Solen producerar 4x1026 watt el eller 400,{15}} zettawatt.
Högeffektslasrar producerar ljuspulser med mycket kort varaktighet, vanligtvis några femtosekunder (1 femtosekund=10-15 sekunder), vilket uppnås med en teknik som kallas chirped pulse amplification (CPA), som involverar pulskomprimering, vilket i huvudsak koncentrerar energin av en laserpuls under en kort tidsperiod, vilket ökar dess toppeffekt med många storleksordningar.
Professor Dino Jaroszynski, från institutionen för fysik vid University of Strathclyde, sa: "En viktig och grundläggande fråga är vad som händer när ljusets intensitet överstiger nivåer som är vanliga på jorden. Högeffektlasrar gör det möjligt för forskare att svara på grundläggande frågor om naturens natur. av materia och vakuum, och att utforska den så kallade intensitetsgränsen."
"Tillämpningen av terawatt på beat-watt-lasrar på materia möjliggör utvecklingen av nästa generations gaspedaler med laserplasma, som är tusentals gånger mindre än konventionella gaspedaler. Att förse forskarna med nya verktyg förändrar hur vetenskaplig forskning bedrivs . Vi har etablerat Scottish Center for Plasma Accelerator Applications (SCAPA) vid University of Strathclyde för att utveckla tillämpningar baserade på högeffektlasrar."
Professor Min Sip Hur vid UNIST sa: "Resultaten av denna forskning förväntas kunna tillämpas på en mängd olika områden, inklusive avancerad teoretisk fysik och astrofysik. Den kan också användas i laserfusionsforskning för att hjälpa till att lösa de energiproblem som mänskligheten står inför. Vårt gemensamma koreanska och brittiska team planerar att experimentellt validera dessa idéer i laboratoriet."
Prof. Hyyong Suk vid GIST sa: "Plaman kan spela en liknande roll i ett CPA-system som ett konventionellt diffraktionsgitter, men det är ett material som inte kommer att förstöras. Därför kommer det att förbättra konventionell CPA-teknik genom att inkludera en mycket enkel tilläggskomponent. Även om plasman bara är några centimeter stor kan den användas i lasrar med toppeffekter på över 100 miljoner watt."
En miljard watt och nollwatt är redan mycket höga effekter, men deras intensitet kan ökas avsevärt genom att helt enkelt använda linser eller böjda speglar för att fokusera laserpulsen på en liten plats för att koncentrera dess energi. På samma sätt som att komprimera en laserpuls i tid till en kortare varaktighet, kan samma sak göras för att komprimera pulsen i rymden, dvs fokusera den till en liten punkt. Så kompression, i rum eller tid, möjliggör en ökning av laserpulsintensiteten på ett mycket allmänt sätt. Rumslig komprimering kan enkelt testas genom att använda en lins för att fokusera solljus på ett papper; det kommer att självantända.
Materia genomgår olika förändringar med ökande intensitet. Till exempel överstiger luftjoniseringen vid synliga våglängder 1010-1012 W/cm2, och när elektroner utsätts för lasrar med intensiteter över 1018 W/cm2 närmar de sig ljusets hastighet, vilket leder till relativistisk optiks område.
Vid intensiteter på 1024 W/cm2 och högre närmar sig protoner ljusets hastighet och partiklar som upplever ett starkt laserfält reagerar med sitt eget strålningsfält, vilket är den nuvarande intensitetsgränsen inom fysiken. Vid intensiteter över 1029 W/cm2, den välkända Schwingergränsen, skapas partiklar direkt från vakuumljus och kan omvandlas direkt till materia. Detta kräver AiW till ZiW-lasrar.
Att förstå materiens och vakuumets natur vid intensiteter över 1024 W/cm2 är en av modern fysiks enastående utmaningar. Högeffektlasrar tillåter också studier av astrofysiska fenomen i laboratoriet, vilket ger unika insikter om stjärnors inre och universums ursprung.