Een van de onderwerpen die in recente natuurkundestudies zijn onderzocht, is de sterke-veldkwantumelektrodynamica (SF-QED). Tot dusver, dit gebied is zelden eerder verkend, vooral omdat de experimentele observatie van SF-QED-processen extreem hoge lichtintensiteiten zou vereisen (> 10 ²⁵ W/cm ² ), meer dan drie ordes van grootte hoger dan die bereikt met de meest intense PetaWatt (PW)-klasse lasers die vandaag beschikbaar zijn.

Een SF-QED-proces dat bijzonder moeilijk te observeren is gebleken, is het Schwinger-proces. Dit is een proces dat dicht bij de zogenaamde Schwinger-limiet (10 ²⁹ /cm ² ), die wordt geassocieerd met de optische afbraak van het kwantumvacuüm en de productie van productieve plasma's van elektronen / positronenparen.

Om het Schwinger-proces te observeren, evenals andere SF-QED-processen, natuurkundigen zouden lichtintensiteiten boven 10 . moeten kunnen bereiken ²⁵ W/cm ² en tot 10 ²⁹ /cm ² . Een mogelijke manier om deze sterke lichtvelden te produceren zou kunnen zijn om krachtige laserpulsen te reflecteren op een gebogen relativistische spiegel, spiegels in plasma's die bestaan ​​uit dunne dichte elektronenlagen die worden versneld door elektromagnetische golven met hoge intensiteit.

Onderzoekers van het Lasers Interactions and Dynamics Laboratory (LIDYL) van de Franse Commissie voor Atoomenergie (CEA) hebben onlangs bewezen dat dergelijke gebogen relativistische spiegels kunnen worden geproduceerd wanneer een zeer intense laserpuls een vast doelwit ioniseert en een dicht plasma creëert dat invallend licht reflecteert . hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor toekomstig onderzoek gericht op het observeren van SF-QED-processen.

"Onlangs, onze groep stelde een nieuwe manier voor om de intensiteit van de huidige krachtige lasers aanzienlijk te verhogen met meer dan drie ordes van grootte, met behulp van opmerkelijke optische elementen die 'relativistische plasmaspiegels' worden genoemd, "Henri Vincenti, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org . "Deze spiegels kunnen worden verkregen door een krachtige laser te focussen op een aanvankelijk solide en optisch vlak doelwit."

Eigenlijk, Vincenti en zijn collega's theoretiseerden dat wanneer een krachtige laser wordt gefocust op een aanvankelijk vaste, optisch vlak doel, het creëert een dicht plasma bij laserfocus. Dit plasma kan het invallende licht spiegelend reflecteren.

"Bij reflectie op deze 'plasmaspiegel', het elektrische veld van de laser laat zijn oppervlak oscilleren met relativistische snelheden, waardoor we een relativistische oscillerende spiegel (ROM) vormen, Vincenti zei. "Deze ROM comprimeert periodiek het gereflecteerde licht om de beurt via het zogenaamde Doppler-effect. Deze periodieke compressie levert een reeks sub-femtoseconde of attoseconde lichtpulsen op, geassocieerd met een Doppler harmonisch spectrum in het frequentiedomein."

Naast deze 'temporele compressie', de invallende laserstraal veroorzaakt een ruimtelijk inhomogene stralingsdruk op het oppervlak van de plasmaspiegel, waar de intensiteit van de laser hoger is in het midden van het brandpunt van de laser dan aan de randen. Deze stralingsdruk kromt uiteindelijk het oppervlak van de plasmaspiegel. Deze observatie zou dus nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor de verkenning van SF-QED-processen in experimenten met lasertechnologie.

"Het primaire doel van ons recente werk was om aan te tonen dat ROM gebogen door stralingsdruk een krachtige laser tijdelijk kan comprimeren en de Doppler-opgeschakelde harmonische inhoud kan focussen met uitstekende optische kwaliteit, " zei Vincenti. "Om dit te bereiken, we stellen een nieuwe meettechniek voor om het spatio-temporele profiel van het gereflecteerde licht van een plasmaspiegel in experimenten volledig te karakteriseren."

Het oorspronkelijke doel van de recente studie van Quéré, Vincenti en hun collega's moesten de spatio-temporele eigenschappen van plasmaspiegellichtbronnen karakteriseren, om het gebruik ervan in experimenten mogelijk te maken. De karakterisering van deze eigenschappen zou, bijvoorbeeld, stellen onderzoekers in staat plasmaspiegellichtbronnen op materiemonsters te richten om door SF-QED gedomineerde regimes te bereiken of ze te gebruiken om attoseconde pomp-sonde-experimenten uit te voeren en elektronendynamica in atomen te onderzoeken. In aanvulling, de onderzoekers hoopten dat hun werk de vergelijking zou mogelijk maken van metingen die in eerdere experimenten zijn verzameld met bestaande theoretische en numerieke modellen van plasmaspiegelbronnen.

"Tot nu toe, meettechnieken waren alleen in staat om ofwel temporele informatie ofwel ruimtelijke informatie op te halen, maar niet beide tegelijk, " zei Vincenti. "Voor ruimtelijke informatie, een veelgebruikte techniek wordt 'ptiekografie' genoemd en maakt een volledige ruimtelijke karakterisering van een lichtbron op verschillende golflengten mogelijk."

Met ptychografie kunnen onderzoekers een volledige ruimtelijke karakterisering van lichtbronnen bereiken door een object in het nabije veld te plaatsen dat door een lichtstraal op verschillende posities over een bepaald vlak wordt gescand. Door de evolutie van het diffractiepatroon in het verre veld te onderzoeken, als functie van de positie van het object in het vlak, mogelijk met behulp van een fase-ophaalalgoritme, onderzoekers kunnen de ruimtelijke amplitude en fase van zowel het object als de lichtbron achterhalen.

Hoewel veel natuurkundigen in het verleden ptychografie hebben gebruikt, deze techniek stelt onderzoekers doorgaans niet in staat tijdelijke informatie op te halen, omdat het object dat in het nabije veld is geplaatst, vast is. Queré, Vincenti en hun collega's bedachten dus een alternatieve techniek waarmee natuurkundigen ook tijdelijke informatie over het object en de lichtbron zouden kunnen achterhalen. Deze techniek omvat de creatie van een ptychografisch object dat kan bewegen op de attoseconde tijdschaal, waardoor zowel ruimtelijke als temporele informatie kan worden opgehaald.

"Dit object kan worden verkregen door gebruik te maken van een tweede lichtstraal met frequentie 2 omega (omega is de frequentie van de hoofdlaserpuls) gefocust onder een hoek ten opzichte van de hoofdlaserstraal, ' zei Quéré. 'Door de vertraging tussen de twee stralen te scannen, men kan de positie van het object veranderen ten opzichte van de emissietijd van de opeenvolgende attoseconde pulsen uitgezonden door de plasmaspiegel. Er kan dan een fase-ophaalalgoritme worden verkregen om het volledige spatio-temporele profiel van het door de plasmaspiegel gereflecteerde licht op te halen."

Met behulp van de door hen ontwikkelde techniek, genaamd 'dynamische ptychografie', Quéré en zijn collega's waren in staat om de spatio-temporele amplitude en het faseprofiel van attoseconde-pulsen te achterhalen die worden uitgezonden door plasmaspiegels bij zowel matige als ultrahoge intensiteit.

uiteindelijk, de door dit team van onderzoekers voorgestelde techniek zou kunnen helpen bij het zoeken naar hoge lichtintensiteiten met behulp van plasmaspiegels. Bijvoorbeeld, het zou natuurkundigen kunnen helpen om de intensiteit te schatten die kan worden bereikt met behulp van plasmaspiegels met een hoge mate van nauwkeurigheid, terwijl ze deze metingen ook kunnen correleren met de SF-QED-processen die zijn waargenomen in eerdere experimenten (bijv. elektronen/positronenparen, gamma stralen, enzovoort.).

"Tot dusver, we hebben met succes dynamische ptychografie toegepast op lasers van 100TeraWatt-klasse, Vincenti zei. "De volgende belangrijke mijlpaal zal zijn om het te implementeren op laserfaciliteiten van PW-klasse, waarop de intensiteitsverhoging door relativistische plasmaspiegels naar verwachting orden van grootte hoger zal zijn."

© 2021 Science X Network