Иностранная команда разрабатывает новый способ создания лазерных импульсов, мощность которых в 1,000 раз выше!

Недавно ученые в совместном исследовании использовали компьютерное моделирование, чтобы продемонстрировать новый метод сжатия света, чтобы увеличить его интенсивность настолько, чтобы извлечь частицы из вакуума и изучить природу материи.
Чтобы добиться этого, три исследовательские группы объединили усилия для создания совершенно особенного зеркала, которое не только отражает световые импульсы, но и сжимает их во времени более чем в 200 раз с возможностью дальнейшего сжатия.
Команда из Университета Стратклайда, UNIST и GIST пришла к простой идее — использовать градиенты плотности плазмы (полностью ионизированной материи) для «кластеризации» фотонов, подобно набору вытянутых автомобилей! при встрече с крутым холмом. Это может произвести революцию в следующем поколении лазеров, увеличив их мощность более чем в миллион раз по сравнению с достижимой сегодня.
Этот новый метод сжатия лазерных импульсов в плазме опубликован в журнале Nature Photonics.
Самые мощные лазеры в мире имеют пиковую мощность около 10 ударных ватт. В этом контексте 173 удар-ватта (173 х 1015 Вт) солнечного света достигают верхних слоев атмосферы Земли, причем около одной трети этого количества достигает поверхности Земли. Удар-ватт равен 1015 Вт, эватт — 1018 Вт, а зефир-ватт — 1021 Вт. Солнце производит 4x1026 Вт электроэнергии или 400,000 зеттаватт.
Мощные лазеры производят световые импульсы очень короткой длительности, обычно несколько фемтосекунд (1 фемтосекунда=10-15 секунд), что достигается с помощью метода, называемого усилением чирпированных импульсов (CPA), который включает сжатие импульса, по существу концентрируя энергию лазерного импульса за короткий период времени, тем самым увеличивая его пиковую мощность на многие порядки.
Профессор Дино Ярошинский с кафедры физики Университета Стратклайда сказал: «Важный и фундаментальный вопрос заключается в том, что происходит, когда интенсивность света превышает уровни, обычные для Земли. Мощные лазеры позволяют ученым ответить на фундаментальные вопросы о природе материи и вакуума и исследовать так называемую границу интенсивности».
«Применение тераваттных лазеров к биваттным лазерам для воздействия на материю позволяет разработать следующее поколение лазерно-плазменных газовых педалей, которые в тысячи раз меньше обычных газовых педалей. Предоставление ученым новых инструментов меняет способ проведения научных исследований. Мы создали Шотландский центр по применению плазменных ускорителей (SCAPA) в Университете Стратклайда для продвижения приложений на основе мощных лазеров».
Профессор Мин Сип Хур из UNIST сказал: «Результаты этого исследования, как ожидается, будут применимы к различным областям, включая передовую теоретическую физику и астрофизику. Их также можно использовать в исследованиях лазерного синтеза, чтобы помочь решить энергетические проблемы, стоящие перед человечеством. Наша совместная корейско-британская команда планирует экспериментально проверить эти идеи в лаборатории».
Профессор Хён Сок из GIST сказал: «Плазма может играть в системе CPA ту же роль, что и обычная дифракционная решетка, но это материал, который не будет разрушен. Следовательно, она улучшит традиционную технологию CPA, включив в нее очень простой Дополнительный компонент. Даже если размер плазмы составляет всего несколько сантиметров, ее можно использовать в лазерах с пиковой мощностью более 100 миллионов ватт».
Миллиарды ватт и нольватт уже действительно являются очень высокими мощностями, но их интенсивность можно значительно увеличить, просто используя линзы или изогнутые зеркала, чтобы сфокусировать лазерный импульс в небольшом пятне и сконцентрировать его энергию. Подобно сжатию лазерного импульса во времени до более короткой длительности, то же самое можно сделать и для сжатия импульса в пространстве, т.е. сфокусировать его в небольшое пятно. Таким образом, сжатие в пространстве или во времени позволяет в очень общем смысле увеличить интенсивность лазерного импульса. Пространственное сжатие можно легко проверить, используя линзу, фокусирующую солнечный свет на листе бумаги; он самопроизвольно воспламенится.
Материя претерпевает различные изменения с возрастающей интенсивностью. Например, ионизация воздуха в видимых длинах волн превышает 1010-1012 Вт/см2, а когда электроны подвергаются воздействию лазеров с интенсивностью более 1018 Вт/см2, они приближаются к скорости света, что приводит к области релятивистской оптики.
При интенсивностях 1024 Вт/см2 и выше протоны приближаются к скорости света, а частицы, испытывающие сильное лазерное поле, реагируют с собственным полем излучения, что является современной границей интенсивности в физике. При интенсивности выше 1029 Вт/см2, хорошо известного предела Швингера, частицы создаются непосредственно из вакуумного света и могут превращаться непосредственно в материю. Для этого требуются лазеры от AiW до ZiW.
Понимание природы материи и вакуума при интенсивностях выше 1024 Вт/см2 является одной из важнейших задач современной физики. Мощные лазеры также позволяют изучать астрофизические явления в лаборатории, обеспечивая уникальную информацию о недрах звезд и происхождении Вселенной.