Buitenlands team ontwikkelt nieuwe manier om laserpulsen te creëren met 1,000 keer meer kracht!

Onlangs hebben wetenschappers in een gezamenlijk onderzoek computersimulaties gebruikt om een ​​nieuwe methode te demonstreren om licht te comprimeren om de intensiteit ervan voldoende te verhogen om deeltjes uit een vacuüm te halen en de aard van materie te bestuderen.
Om dit te bereiken hebben de drie onderzoeksgroepen hun krachten gebundeld om een ​​heel bijzondere spiegel te creëren: een spiegel die niet alleen lichtpulsen reflecteert, maar deze ook in de tijd met een factor meer dan 200 comprimeert, met de potentie voor verdere compressie.
Het team van de Universiteit van Strathclyde, UNIST en GIST kwam met een eenvoudig idee: om gradiënten in de dichtheid van plasma (volledig geïoniseerde materie) te gebruiken om fotonen te "clusteren", vergelijkbaar met een reeks uitgestrekte auto's! wanneer u een steile heuvel tegenkomt. Dit zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de volgende generatie lasers, waardoor hun vermogen meer dan een miljoen keer groter zou worden dan wat vandaag haalbaar is.
Deze nieuwe methode om laserpulsen in een plasma te comprimeren is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics.
De krachtigste lasers ter wereld hebben een piekvermogen van ongeveer 10 watt. In deze context bereikt 173 watt (173 x 1015 W) zonlicht de bovenste atmosfeer van de aarde, waarvan ongeveer een derde het aardoppervlak bereikt. Een beat-watt is 1015 W, een ewatt is 1018 W en een zephyr-watt is 1021 W. De zon produceert 4x1026 watt aan elektriciteit of 400,000 zettawatt.
Lasers met hoog vermogen produceren lichtpulsen van zeer korte duur, doorgaans enkele femtoseconden (1 femtoseconde=10-15 seconden), wat wordt bereikt door een techniek die chirped pulse amplification (CPA) wordt genoemd en die pulscompressie inhoudt, waardoor de energie in wezen wordt geconcentreerd. van een laserpuls over een korte tijdsperiode, waardoor het piekvermogen ervan met vele ordes van grootte toeneemt.
Professor Dino Jaroszynski, van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Strathclyde, zei: ‘Een belangrijke en fundamentele vraag is wat er gebeurt als de intensiteit van het licht de niveaus overschrijdt die op aarde gangbaar zijn. Krachtige lasers stellen wetenschappers in staat fundamentele vragen over de natuur te beantwoorden. van materie en het vacuüm, en om de zogenaamde intensiteitsgrens te verkennen."
"De toepassing van terawatt op beat-watt-lasers op materie maakt de ontwikkeling mogelijk van de volgende generatie laserplasma-gaspedalen, die duizenden keren kleiner zijn dan conventionele gaspedalen. Door wetenschappers te voorzien van nieuwe hulpmiddelen verandert de manier waarop wetenschappelijk onderzoek wordt uitgevoerd We hebben het Scottish Centre for Plasma Accelerator Applications (SCAPA) opgericht aan de Universiteit van Strathclyde om toepassingen op basis van krachtige lasers te bevorderen.'
Professor Min Sip Hur van UNIST zei: "De resultaten van dit onderzoek zullen naar verwachting toepasbaar zijn op een verscheidenheid aan gebieden, waaronder geavanceerde theoretische natuurkunde en astrofysica. Het zou ook kunnen worden gebruikt in laserfusieonderzoek om de energieproblemen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd, op te lossen. Ons gezamenlijke Koreaanse en Britse team is van plan deze ideeën experimenteel te valideren in het laboratorium."
Prof. Hyyong Suk van GIST zei: "Het plasma kan in een CPA-systeem een ​​vergelijkbare rol spelen als een conventioneel diffractierooster, maar het is een materiaal dat niet zal worden vernietigd. Daarom zal het de conventionele CPA-technologie verbeteren door er een heel eenvoudig Zelfs als het plasma maar een paar centimeter groot is, kan het worden gebruikt in lasers met piekvermogens van meer dan 100 miljoen watt."
Een miljard watt en nulwatt zijn inderdaad al zeer hoge vermogens, maar hun intensiteit kan aanzienlijk worden vergroot door eenvoudigweg lenzen of gebogen spiegels te gebruiken om de laserpuls op een klein plekje te focusseren om de energie te concentreren. Net als bij het comprimeren van een laserpuls in de tijd tot een kortere duur, kan hetzelfde worden gedaan om de puls in de ruimte te comprimeren, dwz op een klein plekje te focusseren. Compressie, in ruimte of tijd, zorgt dus op een zeer algemene manier voor een toename van de laserpulsintensiteit. Ruimtelijke compressie kan eenvoudig worden getest door een lens te gebruiken om zonlicht op een stuk papier te focusseren; het zal spontaan ontbranden.
Materie ondergaat verschillende veranderingen met toenemende intensiteit. Luchtionisatie bij zichtbare golflengten overschrijdt bijvoorbeeld 1010-1012 W/cm2, en wanneer elektronen worden onderworpen aan lasers met een intensiteit van meer dan 1018 W/cm2, benaderen ze de snelheid van het licht, wat leidt tot het rijk van de relativistische optica.
Bij intensiteiten van 1024 W/cm2 en hoger benaderen protonen de snelheid van het licht, en deeltjes die een sterk laserveld ervaren, reageren met hun eigen stralingsveld, wat de huidige intensiteitsgrens in de natuurkunde is. Bij intensiteiten boven 1029 W/cm2, de bekende Schwinger-limiet, worden deeltjes rechtstreeks uit vacuümlicht gecreëerd en direct in materie omgezet. Hiervoor zijn AiW tot ZiW-lasers nodig.
Het begrijpen van de aard van materie en vacuüm bij intensiteiten boven 1024 W/cm2 is een van de grootste uitdagingen van de moderne natuurkunde. Lasers met hoog vermogen maken ook de studie van astrofysische verschijnselen in het laboratorium mogelijk, waardoor unieke inzichten worden verkregen in het interieur van sterren en de oorsprong van het universum.