等離子體中脈沖壓縮的概念

英國(guó)和韓國(guó)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(jì)算機(jī)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(qiáng)度，從真空中提取粒子并研究物質(zhì)的性質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，三個(gè)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(shí)將光脈沖壓縮兩百倍以上，并有可能進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)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(lèi)似于一群拉開(kāi)的汽車(chē)在遇到陡坡時(shí)聚集在一起。這可能會(huì)徹底改變下一代激光器，使其功率比現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)的功率增加一百萬(wàn)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(diǎn)而言，173拍瓦(173×1015W)的陽(yáng)光到達(dá)地球高層大氣，其中約三分之一到達(dá)地球表面。一個(gè)拍瓦是1015W，一個(gè)exawatt是1018W，一個(gè)zettawatt是1021W。太陽(yáng)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(shí)間很短的光脈沖，通常為幾個(gè)飛秒(1飛秒為10-15秒)，這是通過(guò)使用一種稱(chēng)為啁啾脈沖放大(CPA)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。CPA涉及脈沖壓縮，它將激光脈沖能量集中在短時(shí)間內(nèi)，從而使其峰值功率增加許多數(shù)量級(jí)。

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(shuō)：“一個(gè)重要而基本的問(wèn)題是，當(dāng)光強(qiáng)度超過(guò)地球上常見(jiàn)的水平時(shí)會(huì)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(wèn)題，并探索所謂的強(qiáng)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(jìn)行方式。我們?cè)谒固乩箍巳R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(dòng)基于高功率激光的應(yīng)用。”

UNIST的Min Sip Hur教授說(shuō)：“這項(xiàng)研究的結(jié)果有望應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括先進(jìn)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(lèi)面臨的能源問(wèn)題。我們的韓國(guó)和英國(guó)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)這一想法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。”

GIST的Hyyong Suk教授說(shuō)：“等離子體在CPA系統(tǒng)中可以發(fā)揮類(lèi)似于傳統(tǒng)衍射光柵的作用，但它是一種不會(huì)損壞的材料。因此，它可以通過(guò)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的附加組件來(lái)增強(qiáng)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(guò)艾瓦的激光器。”

Exawatt和zettawatt看起來(lái)像很多能量，它們當(dāng)然是的，但通過(guò)使用透鏡或曲面鏡將激光脈沖聚焦到一個(gè)小點(diǎn)，集中其能量，其強(qiáng)度可以大大增加。與將激光脈沖在時(shí)間上壓縮到短時(shí)間類(lèi)似，在空間上可以通過(guò)壓縮脈沖來(lái)達(dá)到同樣的效果，即將其聚焦到一個(gè)小點(diǎn)。因此，壓縮在空間或時(shí)間上，可以增加激光脈沖的強(qiáng)度。空間壓縮很容易用透鏡將陽(yáng)光聚焦到一張紙上進(jìn)行測(cè)試，它會(huì)自發(fā)燃燒。

物質(zhì)在強(qiáng)度增加時(shí)會(huì)發(fā)生各種變化。例如，空氣在可見(jiàn)光波長(zhǎng)為1010-1012W/cm2以上時(shí)被電離，當(dāng)電子受到強(qiáng)度為1018W/cm2以上的激光照射時(shí)，它們接近光速，這導(dǎo)致了相對(duì)論光學(xué)領(lǐng)域。

在1024W/cm2及以上的強(qiáng)度下，質(zhì)子接近光速，經(jīng)歷強(qiáng)激光場(chǎng)的粒子對(duì)其自身的輻射場(chǎng)產(chǎn)生反應(yīng)，這是物理學(xué)中的當(dāng)前強(qiáng)度前沿。在1029W/cm2以上的強(qiáng)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(qiáng)度超過(guò)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(shí)驗(yàn)室中研究天體物理現(xiàn)象，為人們提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)，可以一窺恒星的內(nèi)部和宇宙的起源。

審核編輯 黃宇