記録破りのレーザーパルスにより、天体物理学的現象を実験室で研究することができます

アーティストのコンセプト。

研究者たちは、10を超える高い標準レーザーパルス強度を実証しました²³ W / cm² 大韓民国基礎科学研究院相対レーザー科学センター（CoReLS）でベータワットレーザーを使用。 このレーザー密度に到達するのに10年以上かかりました。これは、ミシガン大学のチームが2004年に報告したものの10倍です。これらの高強度の光パルスにより、光と物質の間の複雑な相互作用を、これまでにない方法で探索できるようになります。以前は可能でした。

強力なレーザーを使用して、1兆（1015）電子ボルト（eV）を超えるエネルギーを持つ高エネルギー宇宙線の原因であると考えられている現象を調べることができます。 科学者はこれらの光線が私たちの太陽系の外のどこかから発生することを知っていますが、それらがどのように作られ、何で作られているのかは古代の謎のままです。

「この高強度レーザーにより、実験室での電子、光子、光子散乱などの天体物理学的現象を調べることができます」と、光州科学技術院のCoReLS所長兼教授であるChang HeeNam氏は述べています。 「これを使用して、理論的アイデアをテストし、実験的に到達させることができます。その一部は、ほぼ1世紀前に最初に提案されました。」

で ビジュアルこれは、影響力の大きい研究のためのJournal of the Optical Association（OSA）であり、研究者はCoReLSレーザーからのレーザーパルスの強度を高めるための長年の研究の結果を発表しています。 レーザー材料の相互作用を研究するには、高度に集束されたレーザービームが必要であり、研究者はレーザーパルスを1ミクロン強、人間の髪の毛の直径の50分の1未満のスポットサイズに集束させることができました。 新しい記録破りのレーザー強度は、太陽から10ミクロンのスポットまで地球に到達するすべての光の濃度と比較できます。

大韓民国の相対レーザー科学センター（CoReLS）で、ベータワットレーザー（写真）を使用して高強度パルスを作成しました。 この高強度レーザーにより、科学者は実験室で電子、光子、光子散乱などの天体物理学的現象を調べることができます。 クレジット：Chang Hee Nam、CoReLS

「この高強度レーザーは、新しく挑戦的な科学、特に主に理論家によって扱われている強力な場の量子論の電気力学に取り組むことを可能にします」とナムは言いました。 「天体物理学的現象をよりよく理解するのに役立つだけでなく、高エネルギー陽子を使用して癌を治療するタイプの放射線療法の新しい情報源を開発するために必要な情報を提供することもできます。」

パルスの密度を上げる

新しいブレークスルーは、研究者がTi：Sapphireに基づいて、1μmのスポットに焦点を合わせて20フェムト秒未満の周期で4ペタワット（PW）パルスを生成するフェムト秒レーザーシステムを実証した以前の研究にまで及びます。 2017年に報告されたこのレーザーは、100万分の20秒しか持続しないレーザーパルスで、地球上のすべての電気エネルギーの約1,000倍のエネルギーを生成しました。

ターゲット上に高強度のレーザーパルスを生成するには、生成された光パルスを非常にしっかりと集束させる必要があります。 この新しい研究では、研究者は補償光学システムを適用して、光学歪みを正確に補正しました。 このシステムには、レーザーの歪みを正確に補正し、波面が適切に制御されたビームを生成するための、制御可能な反射面形状を持つ変形可能なミラーが含まれています。 次に、大きな軸外ミラーを使用して、タイトなフォーカスを実現しました。 このプロセスでは、光学集束システムを注意深く取り扱う必要があります。

焦点密度が10より大きい陽子加速レーザー材料反応チャンバー²³ W / cm² これは、軸外し放物面鏡F /1.1を備えたマルチビットレーザービームの強い焦点によって示されます。 クレジット：Zhang Hee Nam

「高出力レーザーの開発中に得られた長年の経験により、ビームサイズ28cmのPWレーザーをマイクロメートルのスポットに集束させて10を超えるレーザー密度を達成するという途方もないタスクを達成することができました。²³ W / cm²彼は寝た。

高エネルギープロセスを研究する

研究者は、これらの高強度パルスを使用して、1 GeV（109 MeV）を超えるエネルギーの電子を生成し、単一の電子が数百のレーザー光子と同時に衝突する非線形システムで作業します。 このプロセスは、非線形コンプトン散乱と呼ばれる一種の強い場の量子電気力学であり、高エネルギーの宇宙線の生成に寄与すると考えられています。

彼らはまた、陽子を加速するために高強度レーザーからの放射圧を使用します。 このプロセスがどのように発生するかを理解することは、癌治療のための新しいレーザーベースの陽子源の開発に役立つ可能性があります。 今日の放射線治療で使用される線源は、大規模な放射線遮蔽を必要とする加速器で作成されています。 レーザー駆動の陽子源は、システムのコストを削減し、陽子腫瘍治療装置をより安価にし、したがって患者が広く利用できるようにすることが期待されています。

研究者は、レーザーシステムのサイズを大幅に増やすことなく、レーザー密度をさらに高めるための新しいアイデアを開発し続けています。 これを実現する1つの方法は、レーザーパルスの持続時間を短縮する新しい方法を発見することです。 現在、最大出力が1〜10 PWのレーザーが稼働しており、最大100 PWの設備が計画されており、近い将来、高強度の物理学が飛躍的に進歩することは間違いありません。

参照：「10を超えるレーザー強度の達成」。²³ W / cm²2021年5月6日、JWユン、YGキム、IWチェ、JHソン、HWリー、SKリー、CHナム ビジュアル。
DOI： 10.10。1364 /光学。420520