Utenlandsk team utvikler ny måte å lage laserpulser med 1,000 ganger mer kraft!

Nylig brukte forskere i en felles studie datasimuleringer for å demonstrere en ny metode for å komprimere lys for å øke intensiteten tilstrekkelig til å trekke ut partikler fra et vakuum og studere materiens natur.
For å oppnå dette har de tre forskergruppene gått sammen om å lage et helt spesielt speil – et som ikke bare reflekterer lyspulser, men som også komprimerer dem i tid med en faktor på over 200, med potensial for ytterligere kompresjon.
Teamet fra University of Strathclyde, UNIST og GIST kom opp med en enkel idé - å bruke gradienter i tettheten til plasma (fullstendig ionisert materie) for å "klynge" fotoner, som ligner på et sett med utstrakte biler! når du møter en bratt bakke. Dette kan revolusjonere neste generasjon lasere, og øke deres kraft med mer enn en million ganger det som er oppnåelig i dag.
Denne nye metoden for å komprimere laserpulser i et plasma er publisert i tidsskriftet Nature Photonics.
De høyest drevne laserne i verden har en toppeffekt på rundt 10 beat watt. I denne sammenhengen når 173 beat-watt (173 x 1015 W) sollys jordens øvre atmosfære, med omtrent en tredjedel av det som når jordens overflate. En beat-watt er 1015 W, en ewatt er 1018 W, og en zephyr-watt er 1021 W. Solen produserer 4x1026 watt elektrisitet eller 400,000 zettawatt.
Høyeffektlasere produserer lyspulser av svært kort varighet, typisk noen få femtosekunder (1 femtosekund=10-15 sekunder), som oppnås ved en teknikk kalt chirped pulse amplification (CPA), som involverer pulskomprimering, som i hovedsak konsentrerer energien av en laserpuls over en kort periode, og øker dermed toppeffekten med mange størrelsesordener.
Professor Dino Jaroszynski, fra Institutt for fysikk ved University of Strathclyde, sa: "Et viktig og grunnleggende spørsmål er hva som skjer når lysintensiteten overstiger nivåene som er vanlige på jorden. Høyeffektlasere gjør det mulig for forskere å svare på grunnleggende spørsmål om naturens natur. av materie og vakuum, og for å utforske den såkalte intensitetsgrensen."
"Anvendelsen av terawatt til beat-watt lasere på materie muliggjør utviklingen av neste generasjon laserplasma gasspedaler, som er tusenvis av ganger mindre enn konvensjonelle gasspedaler. Å gi forskere nye verktøy endrer måten vitenskapelig forskning utføres på. . Vi har etablert Scottish Center for Plasma Accelerator Applications (SCAPA) ved University of Strathclyde for å fremme applikasjoner basert på høyeffektlasere."
Professor Min Sip Hur ved UNIST sa: "Resultatene av denne forskningen forventes å være anvendelige på en rekke felt, inkludert avansert teoretisk fysikk og astrofysikk. Den kan også brukes i laserfusjonsforskning for å bidra til å løse energiproblemene menneskeheten står overfor. Vårt felles koreanske og britiske team planlegger å eksperimentelt validere disse ideene i laboratoriet."
Prof. Hyyong Suk ved GIST sa: "Plasmaet kan spille en lignende rolle i et CPA-system som et konvensjonelt diffraksjonsgitter, men det er et materiale som ikke vil bli ødelagt. Derfor vil det forbedre konvensjonell CPA-teknologi ved å inkludere en veldig enkel tilleggskomponent. Selv om plasmaet bare er noen få centimeter stort, kan det brukes i lasere med toppeffekter på over 100 millioner watt."
En milliard watt og nullwatt er allerede veldig høye effekter, men deres intensitet kan økes betraktelig ved å bruke linser eller buede speil for å fokusere laserpulsen på et lite sted for å konsentrere energien. I likhet med å komprimere en laserpuls i tid til en kortere varighet, kan det samme gjøres for å komprimere pulsen i rommet, dvs. fokusere den til en liten flekk. Så kompresjon, i rom eller tid, gir mulighet for en økning i laserpulsintensitet på en veldig generell måte. Romlig kompresjon kan enkelt testes ved å bruke en linse for å fokusere sollys på et stykke papir; det vil spontant brenne.
Materie gjennomgår forskjellige endringer med økende intensitet. For eksempel overstiger luftionisering ved synlige bølgelengder 1010-1012 W/cm2, og når elektroner blir utsatt for lasere med intensiteter over 1018 W/cm2, nærmer de seg lysets hastighet, noe som fører til relativistisk optikk.
Ved intensiteter på 1024 W/cm2 og over, nærmer protoner seg lysets hastighet, og partikler som opplever et sterkt laserfelt reagerer med sitt eget strålingsfelt, som er den nåværende intensitetsgrensen i fysikk. Ved intensiteter over 1029 W/cm2, den velkjente Schwinger-grensen, dannes partikler direkte fra vakuumlys og kan omdannes direkte til materie. Dette krever AiW til ZiW-lasere.
Å forstå naturen til materie og vakuum ved intensiteter over 1024 W/cm2 er en av de enestående utfordringene i moderne fysikk. Høyeffektlasere tillater også studiet av astrofysiske fenomener i laboratoriet, og gir unik innsikt i stjerners indre og universets opprinnelse.