通过密度梯度等离子体压缩激光脉冲用于艾瓦至泽瓦激光器

英国和韩国的科学家提出了一种产生激光脉冲的新方法，其强度是现有技术的1000倍以上。科学家们在联合研究中使用计算机模拟来展示一种压缩光的新方法，以充分增加光的强度，从而从真空中提取粒子并研究物质的本质。为了实现这一目标，三个小组共同生产了一种非常特殊的镜子，这种镜子不仅可以反射光脉冲，而且可以将它们在时间上压缩两百倍以上，并且还可以进一步压缩。

来自斯特拉斯克莱德大学、UNIST和GIST的研究小组提出了一个简单的想法——利用等离子体(完全电离的物质)的密度梯度来使光子“聚束”，类似于拉长的一组光子的方式。汽车遇到陡峭的山坡时就会聚集在一起。这可能会彻底改变下一代激光器，使其功率比现在提高一百万倍以上。

在等离子体中压缩激光脉冲的新方法发表在《自然光子学》杂志上。

世界上功率最高的激光器的峰值功率约为10拍瓦。具体来说，173拍瓦(173×1015W)的阳光到达地球的高层大气，其中大约三分之一到达地球表面。拍瓦为1015W，艾瓦为1018W，泽瓦为1021W。太阳产生4x1026W的电力或400,000泽瓦。

高功率激光器产生持续时间非常短的光脉冲，通常为几个飞秒(一飞秒为10-15秒)，这是通过一种称为啁啾脉冲放大(CPA)的技术来实现的。CPA涉及脉冲压缩，可集中激光在短时间内，从而将其峰值功率提高多个数量级。

斯特拉斯克莱德大学物理系教授迪诺·雅罗斯辛斯基(DinoJaroszynski)表示：“一个重要且基本的问题是，当光强度超过地球上常见的水平时会发生什么。高功率激光器使科学家能够回答有关物质本质和真空并探索所谓的强度边界。

“将太瓦到拍瓦激光器应用于物质，使得下一代激光等离子体加速器的开发成为可能，这些加速器比传统加速器小数千倍。为科学家提供新工具正在改变科学研究的方式。我们已经建立了苏格兰斯特拉斯克莱德大学等离子体加速器应用中心(SCAPA)致力于推动基于高功率激光器的应用向前发展。”

UNIST教授MinSipHur表示：“这项研究成果预计将适用于各个领域，包括先进理论物理学和天体物理学。它还可以用于激光聚变研究，以帮助解决人类面临的能源问题。”我们的韩国和英国联合团队计划在实验室中对这些想法进行实验测试。”

GIST的HyyongSuk教授表示：“等离子体在CPA系统中可以发挥与传统衍射光栅类似的作用，但它是一种不会损坏的材料。因此，它将通过包含一个非常简单的附加组件来增强传统CPA技术。尺寸为几厘米的等离子体，可用于峰值功率超过艾瓦的激光器。”

艾瓦和泽瓦看起来功率很大，确实如此，但只需使用透镜或曲面镜将激光脉冲聚焦到一个小点，以集中其能量，其强度就可以大幅增加。与将激光脉冲在时间上压缩到较短的持续时间类似，通过在空间上压缩脉冲也可以在空间中完成同样的事情，即将其聚焦到一个小点。因此，以一种非常普遍的方式(空间或时间)压缩可以增加激光脉冲的强度。使用透镜将阳光聚焦到一张纸上，可以轻松测试空间压缩;它会自燃。

随着强度的增加，物质会发生各种转变。例如，对于可见光波长，空气在强度高于1010—1012W/cm2时被电离，当电子受到强度高于1018W/cm2的激光时，它们接近光速，这会导致相对论光学领域。

在强度为1024W/cm2及以上时，质子接近光速，经历强激光场的粒子会对其自身的辐射场做出反应，这是物理学中当前的强度前沿。当强度高于1029W/cm2(即施温格极限)时，粒子会直接从真空中产生——光可以直接转化为物质。这需要艾瓦到泽瓦的激光器。

了解强度高于1024W/cm2的物质和真空的性质是现代物理学的突出挑战之一。高功率激光器还可以在实验室中研究天体物理现象，为了解恒星内部和宇宙起源提供独特的视角。