Onderzoekers hebben een recordhoge laserpulsintensiteit van meer dan 10 . aangetoond ²³ W/cm ² met behulp van de petawatt-laser in het Center for Relativistic Laser Science (CoReLS), Instituut voor Basiswetenschappen in de Republiek Korea. Het duurde meer dan een decennium om deze laserintensiteit te bereiken, dat is tien keer zoveel als gerapporteerd door een team van de Universiteit van Michigan in 2004. Deze ultrahoge lichtpulsen zullen het mogelijk maken om complexe interacties tussen licht en materie te onderzoeken op manieren die voorheen niet mogelijk waren.

De krachtige laser kan worden gebruikt om fenomenen te onderzoeken waarvan wordt aangenomen dat ze verantwoordelijk zijn voor krachtige kosmische straling, die energieën hebben van meer dan een quadriljoen (10 ¹⁵ ) elektronvolt (eV). Hoewel wetenschappers weten dat deze stralen ergens buiten ons zonnestelsel vandaan komen, hoe ze worden gemaakt en wat ze vormt, is al lang een mysterie.

"Deze laser met hoge intensiteit stelt ons in staat om astrofysische fenomenen zoals elektron-foton en foton-foton verstrooiing in het laboratorium te onderzoeken, " zei Chang Hee Nam, directeur van CoReLS en professor aan het Gwangju Institute of Science &Technology. "We kunnen het gebruiken om experimenteel te testen en toegang te krijgen tot theoretische ideeën, waarvan sommige bijna een eeuw geleden voor het eerst werden voorgesteld."

In optiek , de onderzoekers rapporteren de resultaten van jarenlang werk om de intensiteit van laserpulsen van de CoReLS-laser te verhogen. Het bestuderen van laser materie-interacties vereist een strak gefocuste laserstraal en de onderzoekers waren in staat om de laserpulsen te focussen tot een vlekgrootte van iets meer dan een micron, minder dan een vijftigste van de diameter van een mensenhaar. De nieuwe recordbrekende laserintensiteit is vergelijkbaar met het focussen van al het licht dat de aarde bereikt van de zon tot een plek van 10 micron.

"Deze laser met hoge intensiteit stelt ons in staat om nieuwe en uitdagende wetenschap aan te pakken, bijzonder sterk veld kwantumelektrodynamica, die voornamelijk door theoretici is behandeld, "zei Nam. "Naast ons te helpen astrofysische verschijnselen beter te begrijpen, het zou ook de informatie kunnen verschaffen die nodig is om nieuwe bronnen te ontwikkelen voor een type bestralingsbehandeling waarbij hoogenergetische protonen worden gebruikt om kanker te behandelen."

Pulsen intenser maken

De nieuwe prestatie breidt eerder werk uit waarin de onderzoekers een femtoseconde lasersysteem demonstreerden, gebaseerd op Ti:Saffier, die 4 petawatt (PW) pulsen produceert met een duur van minder dan 20 femtoseconden, terwijl gefocusseerd op een plek van 1 micrometer. Deze laser, die in 2017 werd gemeld, produceerde een vermogen van ongeveer 1, 000 keer groter dan al het elektrische vermogen op aarde in een laserpuls die slechts twintig biljardste van een seconde duurt.

Om laserpulsen met hoge intensiteit op het doel te produceren, de gegenereerde optische pulsen moeten extreem strak worden gefocusseerd. In dit nieuwe werk de onderzoekers passen een adaptief optisch systeem toe om optische vervormingen nauwkeurig te compenseren. Dit systeem omvat vervormbare spiegels - die een controleerbare reflecterende oppervlaktevorm hebben - om vervormingen in de laser nauwkeurig te corrigeren en een straal te genereren met een zeer goed gecontroleerd golffront. Vervolgens gebruikten ze een grote parabolische spiegel buiten de as om een ​​extreem scherpe focus te bereiken. Dit proces vereist een delicate behandeling van het optische focussysteem.

"Onze jarenlange ervaring die we hebben opgedaan bij het ontwikkelen van ultrahoogvermogenlasers stelde ons in staat om de formidabele taak te volbrengen om de PW-laser met een straal van 28 cm scherp te stellen tot een micrometerpunt om een ​​laserintensiteit van meer dan 10 te bereiken. ²³ W/cm ² , " zei Nam.

Hoogenergetische processen bestuderen

De onderzoekers gebruiken deze pulsen met hoge intensiteit om elektronen te produceren met een energie van meer dan 1 GeV (10 ⁹ eV) en om te werken in het niet-lineaire regime waarin één elektron botst met enkele honderden laserfotonen tegelijk. Dit proces is een soort sterk veld kwantumelektrodynamica genaamd niet-lineaire Compton-verstrooiing, waarvan wordt gedacht dat het bijdraagt ​​aan het genereren van extreem energetische kosmische straling.

Ze zullen ook de stralingsdruk gebruiken die wordt gecreëerd door de laser met ultrahoge intensiteit om protonen te versnellen. Begrijpen hoe dit proces plaatsvindt, zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van een nieuwe op laser gebaseerde protonbron voor kankerbehandelingen. Bronnen die in de huidige stralingsbehandelingen worden gebruikt, worden gegenereerd met behulp van een versneller waarvoor een enorm stralingsschild nodig is. Een lasergestuurde protonenbron zal naar verwachting de systeemkosten verlagen, waardoor de protonenoncologiemachine goedkoper en dus breder toegankelijk wordt voor patiënten.

De onderzoekers blijven nieuwe ideeën ontwikkelen om de laserintensiteit nog meer te verbeteren zonder het lasersysteem significant te vergroten. Een manier om dit te bereiken zou zijn om een ​​nieuwe manier te bedenken om de duur van de laserpuls te verminderen. Aangezien lasers met een piekvermogen van 1 tot 10 PW nu in bedrijf zijn en er verschillende faciliteiten worden gepland die 100 PW kunnen bereiken, het lijdt geen twijfel dat de fysica met hoge intensiteit in de nabije toekomst enorme vooruitgang zal boeken.