研究人員利用韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所相對(duì)論激光科學(xué)中心（CoReLS）的petawatt激光器，展示了超過1023 W/cm2的創(chuàng)紀(jì)錄的高激光脈沖強(qiáng)度。 達(dá)到這個(gè)激光強(qiáng)度花了十多年的時(shí)間，是密歇根大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在2004年所創(chuàng)下紀(jì)錄的十倍。這些超高強(qiáng)度的光脈沖將使人們能夠以以前不可能的方式探索光和物質(zhì)之間的復(fù)雜相互作用。

這個(gè)強(qiáng)大的激光器可以用來研究被認(rèn)為是高功率宇宙射線的現(xiàn)象，這些射線的能量超過千兆（1015）電子伏特（eV）。盡管科學(xué)家們知道這些射線來自我們太陽(yáng)系之外的某個(gè)地方，但它們是如何產(chǎn)生的以及是什么在形成它們一直是一個(gè)長(zhǎng)期的謎。

"CoReLS主任、光州科技學(xué)院教授Chang Hee Nam說："這種高強(qiáng)度的激光器將使我們能夠在實(shí)驗(yàn)室里研究天體物理現(xiàn)象，如電子-光子和光子散射。"我們可以用它來實(shí)驗(yàn)測(cè)試和獲取理論觀點(diǎn)，其中一些觀點(diǎn)是在近一個(gè)世紀(jì)前首次提出的。"

在光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）的高影響研究雜志《Optica》上，研究人員報(bào)告了多年來提高CoReLS激光器的激光脈沖強(qiáng)度的工作成果。研究激光的物質(zhì)相互作用需要一束緊密聚焦的激光，研究人員能夠?qū)⒓す饷}沖聚焦到剛剛超過一微米的光斑大小，不到人類頭發(fā)直徑的五十分之一。新的破紀(jì)錄的激光強(qiáng)度相當(dāng)于將所有從太陽(yáng)到達(dá)地球的光線聚焦到一個(gè)10微米的光斑。

這項(xiàng)新成就擴(kuò)展了之前的工作，研究人員展示了一個(gè)基于Ti:Sapphire的飛秒激光系統(tǒng)，它能產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間不到20飛秒的4 petawatt（PW）脈沖，同時(shí)聚焦到一個(gè)1微米的點(diǎn)上。這種激光器在2017年被報(bào)道，在一個(gè)僅持續(xù)二十萬億分之一秒的激光脈沖中產(chǎn)生的功率大約是地球上所有電力的1000倍。

為了在目標(biāo)上產(chǎn)生高強(qiáng)度的激光脈沖，產(chǎn)生的光脈沖必須被極度緊密地聚焦。在這項(xiàng)新工作中，研究人員應(yīng)用一個(gè)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來精確補(bǔ)償光學(xué)失真。這個(gè)系統(tǒng)涉及到可變形的鏡子，它具有可控制的反射面形狀來精確地糾正激光器的失真，并產(chǎn)生一個(gè)具有非常好的控制波前的光束。然后，他們使用一個(gè)大的離軸拋物面鏡來實(shí)現(xiàn)一個(gè)極其緊密的焦點(diǎn)。這一過程需要對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)處理。

研究人員正在利用這些高強(qiáng)度的脈沖產(chǎn)生能量超過1 GeV（109 eV）的電子，并在非線性體系中工作，其中一個(gè)電子與幾百個(gè)激光光子同時(shí)碰撞。這個(gè)過程是一種被稱為非線性康普頓散射的強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)，它被認(rèn)為有助于極高能量宇宙射線的產(chǎn)生。

他們還將利用超高強(qiáng)度激光產(chǎn)生的輻射壓力來加速質(zhì)子。了解這一過程是如何發(fā)生的，可以幫助開發(fā)一種新的基于激光的質(zhì)子源用于癌癥治療。今天的輻射治療中使用的源是使用加速器產(chǎn)生的，需要一個(gè)巨大的輻射防護(hù)罩。激光驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子源有望降低系統(tǒng)成本，從而更廣泛地為患者所接受。

研究人員繼續(xù)開發(fā)新的想法，以便在不大幅增加激光系統(tǒng)尺寸的情況下更多地增強(qiáng)激光強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是找出一種減少激光脈沖時(shí)間的新方法。由于峰值功率從1到10PW的激光器現(xiàn)在已經(jīng)投入使用，并且有幾個(gè)達(dá)到100PW的設(shè)施正在計(jì)劃中，毫無疑問，高強(qiáng)度物理學(xué)將在不久的將來取得巨大的進(jìn)展。