Denyut laser pemecah rekor memungkinkan fenomena astrofisika dipelajari di laboratorium

Konsep artis.

Para peneliti mendemonstrasikan intensitas pulsa laser standar tinggi lebih dari 10²³ W / cm² Menggunakan laser Betawatt di Center for Relative Laser Science (CoReLS), Institut Ilmu Pengetahuan Dasar Republik Korea. Butuh lebih dari satu dekade untuk mencapai kerapatan laser ini, sepuluh kali lipat dari apa yang dilaporkan tim di University of Michigan pada tahun 2004. Denyut cahaya intensitas tinggi ini akan memungkinkan interaksi kompleks antara cahaya dan materi dieksplorasi dengan cara yang tidak semestinya. mungkin sebelumnya.

Laser yang kuat dapat digunakan untuk memeriksa fenomena yang diyakini bertanggung jawab atas sinar kosmik berenergi tinggi, yang memiliki energi lebih dari satu kuadriliun (1015) elektron volt (eV). Meskipun para ilmuwan tahu bahwa sinar ini berasal dari suatu tempat di luar tata surya kita, bagaimana mereka dibuat dan terbuat dari apa tetap menjadi misteri kuno.

“Laser intensitas tinggi ini akan memungkinkan kita untuk memeriksa fenomena astrofisika seperti hamburan elektron, foton dan foton di laboratorium,” kata Chang Hee Nam, Direktur CoReLS dan Profesor di Institut Sains dan Teknologi Gwangju. “Kami dapat menggunakannya untuk menguji dan secara eksperimental mencapai ide-ide teoretis, beberapa di antaranya pertama kali diusulkan hampir seabad yang lalu.”

di VisualIni adalah Jurnal Asosiasi Optik (OSA) untuk penelitian berdampak tinggi, para peneliti telah mempresentasikan hasil kerja bertahun-tahun untuk meningkatkan intensitas pulsa laser dari laser CoReLS. Mempelajari interaksi bahan laser membutuhkan sinar laser yang sangat terfokus, dan para peneliti mampu memfokuskan pulsa laser ke ukuran titik lebih dari satu mikron, kurang dari satu-lima puluh diameter rambut manusia. Intensitas laser pemecah rekor baru dapat dibandingkan dengan konsentrasi semua cahaya yang mencapai Bumi dari Matahari ke titik 10 mikron.

Para peneliti membuat pulsa intensitas tinggi menggunakan laser betawatt (foto) di Center for Relative Laser Science (CoReLS) di Republik Korea. Laser intensitas tinggi ini akan memungkinkan para ilmuwan untuk memeriksa fenomena astrofisika seperti hamburan elektron, foton, dan foton di laboratorium. Kredit: Chang Hee Nam, CoReLS

“Laser intensitas tinggi ini akan memungkinkan kita untuk menangani ilmu baru dan menantang, terutama elektrodinamika medan kuantum yang kuat, yang sebagian besar telah ditangani oleh para ahli teori,” kata Nam. “Selain membantu kami lebih memahami fenomena astrofisika, ini juga dapat memberikan informasi yang dibutuhkan untuk mengembangkan sumber baru untuk jenis terapi radiasi yang menggunakan proton berenergi tinggi untuk mengobati kanker.”

Tingkatkan kepadatan pulsa

Terobosan baru meluas ke pekerjaan sebelumnya di mana para peneliti mendemonstrasikan sistem laser femtosecond, berdasarkan Ti: Sapphire, yang menghasilkan pulsa 4 petawatt (PW) dengan periode kurang dari 20 femtosecond dengan fokus pada titik 1 μm. Laser ini, dilaporkan pada tahun 2017, menghasilkan energi sekitar 1.000 kali lebih banyak daripada semua energi listrik di Bumi dalam bentuk pulsa laser yang hanya berlangsung dua puluh bagian per sepersejuta detik.

Untuk menghasilkan pulsa laser intensitas tinggi pada target, pulsa cahaya yang dihasilkan harus difokuskan dengan sangat ketat. Dalam karya baru ini, para peneliti menerapkan sistem optik adaptif untuk secara tepat mengkompensasi distorsi optik. Sistem ini mencakup cermin yang dapat dideformasi – yang memiliki bentuk permukaan reflektif yang dapat dikontrol – untuk secara tepat memperbaiki distorsi pada laser dan menghasilkan sinar dengan muka gelombang yang terkontrol dengan baik. Kemudian mereka menggunakan cermin off-axis besar untuk mendapatkan fokus yang sangat rapat. Proses ini membutuhkan penanganan yang cermat dari sistem pemfokusan optik.

Ruang reaksi bahan laser percepatan proton, di mana kerapatan fokus lebih besar dari 10²³ W / cm² Hal ini ditunjukkan oleh fokus yang intens dari sinar laser multi-bitow dengan cermin parabola off-axis F / 1.1. Kredit: Zhang Hee Nam

“Pengalaman bertahun-tahun yang kami peroleh saat mengembangkan laser daya tinggi telah memungkinkan kami menyelesaikan tugas luar biasa dalam memfokuskan laser PW dengan ukuran berkas 28 cm ke titik mikrometer untuk mencapai kepadatan laser lebih dari 10²³ W / cm²Dia tertidur.

Pelajari proses energi tinggi

Para peneliti menggunakan pulsa intensitas tinggi ini untuk menghasilkan elektron dengan energi lebih besar dari 1 GeV (109 MeV) dan untuk bekerja dalam sistem nonlinier di mana satu elektron bertabrakan dengan beberapa ratus foton laser secara bersamaan. Proses ini adalah jenis elektrodinamika kuantum medan kuat yang disebut hamburan Compton nonlinier, yang diperkirakan berkontribusi pada pembentukan sinar kosmik yang sangat energik.

Mereka juga akan menggunakan tekanan radiasi dari laser intensitas tinggi untuk mempercepat proton. Memahami bagaimana proses ini terjadi dapat membantu pengembangan sumber proton berbasis laser baru untuk pengobatan kanker. Sumber yang digunakan dalam terapi radiasi saat ini dibuat dengan akselerator yang membutuhkan perisai radiasi masif. Sumber proton bertenaga laser diharapkan dapat mengurangi biaya sistem, membuat mesin terapi tumor proton lebih murah dan dengan demikian dapat diakses secara luas oleh pasien.

Para peneliti terus mengembangkan ide-ide baru untuk lebih meningkatkan kepadatan laser tanpa meningkatkan ukuran sistem laser secara signifikan. Salah satu cara untuk mencapai ini adalah menemukan cara baru untuk mengurangi durasi denyut laser. Dengan laser dengan daya maksimum mulai dari 1 hingga 10 PW yang sekarang beroperasi dan fasilitas hingga 100 PW sedang direncanakan, tidak ada keraguan bahwa fisika intensitas tinggi akan berkembang pesat dalam waktu dekat.

Referensi: “Mencapai intensitas laser di atas 10²³ W / cm²Oleh JW Yoon, YG Kim, IW Choi, JH Sung, HW Lee, SK Lee, dan CH Nam pada 6 Mei 2021, Visual.
DOI: 10.1364 /optik.420520