等離子體中脈沖壓縮的概念

英國和韓國的科學家提出了一種產生激光脈沖的新方法，其功率是現有激光脈沖的1000多倍。

科學家們使用計算機模擬聯合研究，展示了一種壓縮光的新方法，以充分提高光的強度，從真空中提取粒子并研究物質的性質。為了實現這一目標，三個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，還能及時將光脈沖壓縮兩百倍以上，并有可能進一步壓縮。

斯特拉斯克萊德大學、UNIST和GIST的研究小組提出一個簡單的想法——利用等離子體密度梯度，等離子體是完全電離的物質，使光子“聚集”，類似于一群拉開的汽車在遇到陡坡時聚集在一起。這可能會徹底改變下一代激光器，使其功率比現在可實現的功率增加一百萬倍以上。

在《自然·光子學》雜志上發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。就這一點而言，173拍瓦(173×1015W)的陽光到達地球高層大氣，其中約三分之一到達地球表面。一個拍瓦是1015W，一個exawatt是1018W，一個zettawatt是1021W。太陽產生的功率為4x1026W或400,000 zettawatts。

高功率激光器產生持續時間很短的光脈沖，通常為幾個飛秒(1飛秒為10-15秒)，這是通過使用一種稱為啁啾脈沖放大(CPA)的技術實現的。CPA涉及脈沖壓縮，它將激光脈沖能量集中在短時間內，從而使其峰值功率增加許多數量級。

斯特拉斯克萊德大學物理系的迪諾·雅羅斯辛斯基教授說：“一個重要而基本的問題是，當光強度超過地球上常見的水平時會發生什么。高功率激光使科學家能夠回答有關物質和真空性質的基本問題，并探索所謂的強度前沿。將太瓦特激光應用于皮瓦特激光，使下一代激光等離子加速器得以發展，這種加速器比傳統加速器小數千倍。為科學家提供新工具正在改變科學研究的進行方式。我們在斯特拉斯克萊德大學建立了蘇格蘭等離子加速器應用中心(SCAPA)，以推動基于高功率激光的應用。”

UNIST的Min Sip Hur教授說：“這項研究的結果有望應用于各個領域，包括先進的理論物理和天體物理學。它也可以用于激光聚變研究，以幫助解決人類面臨的能源問題。我們的韓國和英國聯合團隊計劃在實驗室里對這一想法進行實驗測試。”

GIST的Hyyong Suk教授說：“等離子體在CPA系統中可以發揮類似于傳統衍射光柵的作用，但它是一種不會損壞的材料。因此，它可以通過一個非常簡單的附加組件來增強傳統的CPA技術。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艾瓦的激光器。”

Exawatt和zettawatt看起來像很多能量，它們當然是的，但通過使用透鏡或曲面鏡將激光脈沖聚焦到一個小點，集中其能量，其強度可以大大增加。與將激光脈沖在時間上壓縮到短時間類似，在空間上可以通過壓縮脈沖來達到同樣的效果，即將其聚焦到一個小點。因此，壓縮在空間或時間上，可以增加激光脈沖的強度。空間壓縮很容易用透鏡將陽光聚焦到一張紙上進行測試，它會自發燃燒。

物質在強度增加時會發生各種變化。例如，空氣在可見光波長為1010-1012W/cm2以上時被電離，當電子受到強度為1018W/cm2以上的激光照射時，它們接近光速，這導致了相對論光學領域。

在1024W/cm2及以上的強度下，質子接近光速，經歷強激光場的粒子對其自身的輻射場產生反應，這是物理學中的當前強度前沿。在1029W/cm2以上的強度下，即所謂的施溫格極限，粒子直接從真空產生——光可以直接轉化為物質。這需要exawatt到zettawatt的激光。

在強度超過1024W/cm2的條件下，了解物質和真空的性質是現代物理學面臨的突出挑戰之一。高功率激光器還使人們能夠在實驗室中研究天體物理現象，為人們提供了獨特的機會，可以一窺恒星的內部和宇宙的起源。

審核編輯 黃宇