Η ομάδα ξένων αναπτύσσει νέο τρόπο για τη δημιουργία παλμών λέιζερ με 1,{1}} φορές περισσότερη δύναμη!

Πρόσφατα, οι επιστήμονες σε μια κοινή μελέτη χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις υπολογιστή για να επιδείξουν μια νέα μέθοδο συμπίεσης του φωτός για να αυξήσουν την έντασή του αρκετά ώστε να εξάγουν σωματίδια από το κενό και να μελετήσουν τη φύση της ύλης.
Για να επιτευχθεί αυτό, οι τρεις ερευνητικές ομάδες ένωσαν τις δυνάμεις τους για να δημιουργήσουν έναν πολύ ιδιαίτερο καθρέφτη - έναν που όχι μόνο αντανακλά τους παλμούς φωτός, αλλά και τους συμπιέζει χρονικά κατά περισσότερο από 200, με δυνατότητα περαιτέρω συμπίεσης.
Η ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Strathclyde, το UNIST και το GIST κατέληξε σε μια απλή ιδέα - να χρησιμοποιήσει βαθμίδες στην πυκνότητα του πλάσματος (πλήρως ιονισμένης ύλης) για να "συστάδα" φωτόνια, παρόμοια με ένα σύνολο τεντωμένων αυτοκινήτων! όταν συναντάς έναν απότομο λόφο. Αυτό θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην επόμενη γενιά λέιζερ, αυξάνοντας την ισχύ τους κατά περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές από ό,τι είναι εφικτό σήμερα.
Αυτή η νέα μέθοδος συμπίεσης των παλμών λέιζερ σε ένα πλάσμα δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature Photonics.
Τα λέιζερ με την υψηλότερη ισχύ στον κόσμο έχουν μέγιστη ισχύ περίπου 10 beat watts. Σε αυτό το πλαίσιο, 173 beat-watts (173 x 1015 W) ηλιακού φωτός φθάνει στην ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης, με περίπου το ένα τρίτο αυτού να φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Ένα beat-watt είναι 1015 W, ένα ewatt είναι 1018 W και ένα zephyr-watt είναι 1021 W. Ο ήλιος παράγει 4x1026 watt ηλεκτρικής ενέργειας ή 400,000 zetawatt.
Τα λέιζερ υψηλής ισχύος παράγουν παλμούς φωτός πολύ μικρής διάρκειας, συνήθως μερικά femtosecond (1 femtosecond=10-15 sec), η οποία επιτυγχάνεται με μια τεχνική που ονομάζεται ενίσχυση παλμού κελαηδίσματος (CPA), η οποία περιλαμβάνει συμπίεση παλμού, ουσιαστικά συγκεντρώνοντας την ενέργεια ενός παλμού λέιζερ σε σύντομο χρονικό διάστημα, αυξάνοντας έτσι την μέγιστη ισχύ του κατά πολλές τάξεις μεγέθους.
Ο καθηγητής Dino Jaroszynski, από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Strathclyde, είπε: "Μια σημαντική και θεμελιώδης ερώτηση είναι τι συμβαίνει όταν η ένταση του φωτός υπερβαίνει τα κοινά επίπεδα στη Γη. Τα λέιζερ υψηλής ισχύος επιτρέπουν στους επιστήμονες να απαντήσουν σε θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με τη φύση της ύλης και του κενού, και να εξερευνήσετε το λεγόμενο όριο έντασης».
"Η εφαρμογή λέιζερ terawatt σε beat-watt στην ύλη επιτρέπει την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς πεντάλ αερίου πλάσματος λέιζερ, τα οποία είναι χιλιάδες φορές μικρότερα από τα συμβατικά πεντάλ αερίου. Η παροχή νέων εργαλείων στους επιστήμονες αλλάζει τον τρόπο διεξαγωγής της επιστημονικής έρευνας Δημιουργήσαμε το Σκωτσέζικο Κέντρο για Εφαρμογές Επιταχυντή Πλάσματος (SCAPA) στο Πανεπιστήμιο του Strathclyde για να προωθήσουμε εφαρμογές που βασίζονται σε λέιζερ υψηλής ισχύος."
Ο καθηγητής Min Sip Hur του UNIST είπε, "Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας αναμένεται να είναι εφαρμόσιμα σε ποικίλα πεδία, συμπεριλαμβανομένης της προηγμένης θεωρητικής φυσικής και της αστροφυσικής. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί στην έρευνα σύντηξης λέιζερ για να βοηθήσει στην επίλυση των ενεργειακών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα. Η κοινή μας ομάδα Κορέας και Ηνωμένου Βασιλείου σχεδιάζει να επικυρώσει πειραματικά αυτές τις ιδέες στο εργαστήριο».
Ο καθηγητής Hyyong Suk του GIST είπε, "Το πλάσμα μπορεί να παίξει παρόμοιο ρόλο σε ένα σύστημα CPA με ένα συμβατικό πλέγμα περίθλασης, αλλά είναι ένα υλικό που δεν θα καταστραφεί. Επομένως, θα ενισχύσει τη συμβατική τεχνολογία CPA συμπεριλαμβάνοντας μια πολύ απλή πρόσθετο στοιχείο. Ακόμα κι αν το πλάσμα έχει μέγεθος μόνο μερικά εκατοστά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε λέιζερ με μέγιστη ισχύ άνω των 100 εκατομμυρίων Watt."
Ένα δισεκατομμύριο watt και zerowatt είναι ήδη πολύ υψηλές ισχύς, αλλά η έντασή τους μπορεί να αυξηθεί σημαντικά χρησιμοποιώντας απλά φακούς ή κυρτούς καθρέφτες για να εστιάσει τον παλμό του λέιζερ σε ένα μικρό σημείο για να συγκεντρωθεί η ενέργειά του. Παρόμοια με τη συμπίεση ενός παλμού λέιζερ έγκαιρα σε μικρότερη διάρκεια, το ίδιο πράγμα μπορεί να γίνει για να συμπιεστεί ο παλμός στο διάστημα, δηλαδή να τον εστιάσει σε ένα μικρό σημείο. Έτσι η συμπίεση, στο χώρο ή στο χρόνο, επιτρέπει την αύξηση της έντασης του παλμού λέιζερ με πολύ γενικό τρόπο. Η χωρική συμπίεση μπορεί να ελεγχθεί εύκολα χρησιμοποιώντας φακό για να εστιάσει το ηλιακό φως σε ένα κομμάτι χαρτί. θα καεί αυθόρμητα.
Η ύλη υφίσταται διάφορες αλλαγές με αυξανόμενη ένταση. Για παράδειγμα, ο ιονισμός του αέρα σε ορατά μήκη κύματος υπερβαίνει τα 1010-1012 W/cm2 και όταν τα ηλεκτρόνια υποβάλλονται σε λέιζερ με εντάσεις άνω των 1018 W/cm2, πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, οδηγώντας στο βασίλειο της σχετικιστικής οπτικής.
Σε εντάσεις 1024 W/cm2 και άνω, τα πρωτόνια πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός και τα σωματίδια που βιώνουν ένα ισχυρό πεδίο λέιζερ αντιδρούν με το δικό τους πεδίο ακτινοβολίας, το οποίο είναι το τρέχον όριο έντασης στη φυσική. Σε εντάσεις πάνω από 1029 W/cm2, το γνωστό όριο Schwinger, τα σωματίδια δημιουργούνται απευθείας από το φως κενού και μπορούν να μετατραπούν απευθείας σε ύλη. Αυτό απαιτεί λέιζερ AiW σε ZiW.
Η κατανόηση της φύσης της ύλης και του κενού σε εντάσεις πάνω από 1024 W/cm2 είναι μια από τις εξαιρετικές προκλήσεις της σύγχρονης φυσικής. Τα λέιζερ υψηλής ισχύος επιτρέπουν επίσης τη μελέτη αστροφυσικών φαινομένων στο εργαστήριο, παρέχοντας μοναδικές γνώσεις για το εσωτερικό των αστεριών και την προέλευση του σύμπαντος.