一种产生激光脉冲新方法

等离子体中脉冲压缩的概念

英国和韩国的科学家提出了一种产生激光脉冲的新方法，其功率是现有激光脉冲的1000多倍。

科学家们使用计算机模拟联合研究，展示了一种压缩光的新方法，以充分提高光的强度，从真空中提取粒子并研究物质的性质。为了实现这一目标，三个小组共同制作了一种非常特殊的镜子——这种镜子不仅能反射光脉冲，还能及时将光脉冲压缩两百倍以上，并有可能进一步压缩。

斯特拉斯克莱德大学、UNIST和GIST的研究小组提出一个简单的想法——利用等离子体密度梯度，等离子体是完全电离的物质，使光子“聚集”，类似于一群拉开的汽车在遇到陡坡时聚集在一起。这可能会彻底改变下一代激光器，使其功率比现在可实现的功率增加一百万倍以上。

在《自然·光子学》杂志上发表了等离子体中压缩激光脉冲的新方法。

世界上最高功率的激光器的峰值功率约为10拍瓦。就这一点而言，173拍瓦(173×1015W)的阳光到达地球高层大气，其中约三分之一到达地球表面。一个拍瓦是1015W，一个exawatt是1018W，一个zettawatt是1021W。太阳产生的功率为4x1026W或400,000 zettawatts。

高功率激光器产生持续时间很短的光脉冲，通常为几个飞秒(1飞秒为10-15秒)，这是通过使用一种称为啁啾脉冲放大(CPA)的技术实现的。CPA涉及脉冲压缩，它将激光脉冲能量集中在短时间内，从而使其峰值功率增加许多数量级。

斯特拉斯克莱德大学物理系的迪诺·雅罗斯辛斯基教授说：“一个重要而基本的问题是，当光强度超过地球上常见的水平时会发生什么。高功率激光使科学家能够回答有关物质和真空性质的基本问题，并探索所谓的强度前沿。将太瓦特激光应用于皮瓦特激光，使下一代激光等离子加速器得以发展，这种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进行方式。我们在斯特拉斯克莱德大学建立了苏格兰等离子加速器应用中心(SCAPA)，以推动基于高功率激光的应用。”

UNIST的Min Sip Hur教授说：“这项研究的结果有望应用于各个领域，包括先进的理论物理和天体物理学。它也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里对这一想法进行实验测试。”

GIST的Hyyong Suk教授说：“等离子体在CPA系统中可以发挥类似于传统衍射光栅的作用，但它是一种不会损坏的材料。因此，它可以通过一个非常简单的附加组件来增强传统的CPA技术。即使只有几厘米大小的等离子体，它也可以用于峰值功率超过艾瓦的激光器。”

Exawatt和zettawatt看起来像很多能量，它们当然是的，但通过使用透镜或曲面镜将激光脉冲聚焦到一个小点，集中其能量，其强度可以大大增加。与将激光脉冲在时间上压缩到短时间类似，在空间上可以通过压缩脉冲来达到同样的效果，即将其聚焦到一个小点。因此，压缩在空间或时间上，可以增加激光脉冲的强度。空间压缩很容易用透镜将阳光聚焦到一张纸上进行测试，它会自发燃烧。

物质在强度增加时会发生各种变化。例如，空气在可见光波长为1010-1012W/cm2以上时被电离，当电子受到强度为1018W/cm2以上的激光照射时，它们接近光速，这导致了相对论光学领域。

在1024W/cm2及以上的强度下，质子接近光速，经历强激光场的粒子对其自身的辐射场产生反应，这是物理学中的当前强度前沿。在1029W/cm2以上的强度下，即所谓的施温格极限，粒子直接从真空产生——光可以直接转化为物质。这需要exawatt到zettawatt的激光。

在强度超过1024W/cm2的条件下，了解物质和真空的性质是现代物理学面临的突出挑战之一。高功率激光器还使人们能够在实验室中研究天体物理现象，为人们提供了独特的机会，可以一窥恒星的内部和宇宙的起源。

审核编辑 黄宇