Met recordbrekende laserpulsen kunnen astrofysische verschijnselen in het laboratorium worden bestudeerd

De onderzoekers toonden een standaard hoge laserpulsintensiteit van meer dan 10 aan²³ B / cm² Betawatt-lasers gebruiken in het Center for Relative Laser Science (CoReLS), Institute of Basic Sciences of the Republic of Korea. Het duurde meer dan een decennium om deze laserdichtheid te bereiken, tien keer zoveel als een team van de Universiteit van Michigan in 2004 rapporteerde. Deze lichtpulsen met hoge intensiteit zullen het mogelijk maken de complexe interacties tussen licht en materie te onderzoeken op manieren die niet bestonden. mogelijk eerder.

De krachtige laser kan worden gebruikt om de verschijnselen te onderzoeken waarvan wordt aangenomen dat ze verantwoordelijk zijn voor hoogenergetische kosmische straling, die energieën heeft van meer dan een biljard (1015) elektronvolt (eV). Hoewel wetenschappers weten dat deze stralen ergens buiten ons zonnestelsel vandaan komen, is hoe ze gemaakt zijn en waarvan ze gemaakt zijn een oud mysterie gebleven.

“Met deze laser met hoge intensiteit kunnen we astrofysische verschijnselen zoals elektronen-, foton- en fotonverstrooiing in het laboratorium onderzoeken”, zegt Chang Hee Nam, CoReLS-directeur en professor aan het Gwangju Institute of Science and Technology. “We kunnen het gebruiken om theoretische ideeën te testen en experimenteel te bereiken, waarvan sommige bijna een eeuw geleden voor het eerst werden voorgesteld.”

Bij VisueelHet is de Journal of the Optical Association (OSA) voor high-impact onderzoek, onderzoekers hebben resultaten gepresenteerd van jarenlang werk om de intensiteit van laserpulsen van CoReLS-lasers te verhogen. Het bestuderen van interacties met lasermateriaal vereist een zeer gefocuste laserstraal, en de onderzoekers waren in staat om laserpulsen te focusseren op een puntgrootte van iets meer dan één micron, minder dan vijftig maal de diameter van een mensenhaar. De nieuwe recordbrekende laserintensiteit kan worden vergeleken met de concentratie van al het licht dat de aarde bereikt vanaf de zon tot een plek van 10 micron.

Onderzoekers creëerden pulsen met hoge intensiteit met behulp van een betawatt-laser (foto) in het Center for Relative Laser Science (CoReLS) in de Republiek Korea. Met deze laser met hoge intensiteit kunnen wetenschappers astrofysische verschijnselen zoals elektronen-, foton- en fotonverstrooiing in het laboratorium onderzoeken. Krediet: Chang Hee Nam, CoReLS

“Deze laser met hoge intensiteit zal ons in staat stellen om nieuwe en uitdagende wetenschappen aan te pakken, met name de sterke kwantumveldelektrodynamica, die voornamelijk door theoretici is aangepakt”, zei Nam. “Behalve dat het ons helpt om astrofysische verschijnselen beter te begrijpen, kan het ook de informatie verschaffen die nodig is om nieuwe bronnen te ontwikkelen voor een soort stralingstherapie waarbij gebruik wordt gemaakt van hoogenergetische protonen om kanker te behandelen.”

Verhoog de dichtheid van pulsen

De nieuwe doorbraak strekt zich uit tot eerder werk waarin onderzoekers een femtoseconde lasersysteem demonstreerden, gebaseerd op Ti: Sapphire, dat 4 petawatt (PW) pulsen produceert met perioden van minder dan 20 femtoseconden met een focus op een 1 μm spot. Deze laser, gerapporteerd in 2017, produceerde ongeveer 1.000 keer meer energie dan alle elektrische energie op aarde in een laserpuls die slechts twintig delen per miljoenste van een seconde duurde.

Om laserpulsen met hoge intensiteit op een doelwit te produceren, moeten de gegenereerde lichtpulsen zeer strak worden gefocust. In dit nieuwe werk pasten de onderzoekers een adaptief optisch systeem toe om optische vervormingen nauwkeurig te compenseren. Dit systeem bevat vervormbare spiegels – die een controleerbare reflecterende oppervlaktevorm hebben – om vervormingen in de laser nauwkeurig te corrigeren en een straal te genereren met een goed gecontroleerd golffront. Vervolgens gebruikten ze een grote spiegel buiten de as om een ​​zeer strakke focus te bereiken. Dit proces vereist een zorgvuldige omgang met het optische focussysteem.

De reactiekamer van het lasermateriaal met protonenversnelling, waar de focale dichtheid groter is dan 10²³ B / cm² Het wordt gedemonstreerd door de intense focus van een multi-bitow laserstraal met een off-axis parabolische spiegel F / 1.1. Krediet: Zhang Hee Nam

“Onze jarenlange ervaring die we hebben opgedaan bij het ontwikkelen van krachtige lasers hebben ons in staat gesteld om de enorme taak te volbrengen om een ​​PW-laser met een straal van 28 cm op een micrometervlek te focussen om een ​​laserdichtheid van meer dan 10 te bereiken.²³ B / cm²Hij viel in slaap.

Bestudeer hoogenergetische processen

Onderzoekers gebruiken deze pulsen met hoge intensiteit om elektronen te produceren met een energie groter dan 1 GeV (109 MeV) en om te werken in een niet-lineair systeem waarbij één elektron tegelijkertijd botst met honderden laserfotonen. Dit proces is een soort kwantumelektrodynamica met een sterk veld, niet-lineaire Compton-verstrooiing genaamd, waarvan wordt gedacht dat het bijdraagt ​​aan het genereren van zeer energetische kosmische straling.

Ze zullen ook de stralingsdruk van de laser met hoge intensiteit gebruiken om de protonen te versnellen. Begrijpen hoe dit proces verloopt, zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van een nieuwe op laser gebaseerde protonenbron voor kankerbehandelingen. De bronnen die tegenwoordig bij bestralingstherapie worden gebruikt, worden gemaakt met een versneller die een enorm stralingsscherm vereist. De door een laser aangedreven protonenbron zal naar verwachting de kosten van het systeem verlagen, waardoor de machine voor protontumortherapie minder duur wordt en dus breed toegankelijk is voor patiënten.

Onderzoekers blijven nieuwe ideeën ontwikkelen om de laserdichtheid verder te verbeteren zonder de omvang van het lasersysteem aanzienlijk te vergroten. Een manier om dit te bereiken, is door een nieuwe manier te ontdekken om de duur van de laserpuls te verkorten. Met lasers met een maximaal vermogen variërend van 1 tot 10 PW die nu in bedrijf zijn en faciliteiten tot 100 PW zijn gepland, lijdt het geen twijfel dat de fysica met hoge intensiteit in de nabije toekomst enorm zal verbeteren.

Referentie: “Het bereiken van een laserintensiteit van meer dan 10²³ B / cm²Door JW Yoon, YG Kim, IW Choi, JH Sung, HW Lee, SK Lee en CH Nam op 6 mei 2021, Visueel.
DOI: 10.1364 /optiek.420520