英国和韩国科学家联合研制生成激光脉冲新方法

近日，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。研究团队在联合研究中利用计算机模拟，展示了一种压缩光的新方法，以增加光的强度，从而足以从真空中提取粒子并研究物质的本质。为了实现这一目标，研究小组共同制造出了一种非常特殊的镜子，不仅能反射光脉冲，还能将光脉冲在时间上压缩两百多倍，并有可能进一步压缩。

来自斯特拉斯克莱德大学、UNIST和GIST的研究小组提出了一个简单的想法，利用等离子体（即完全电离的物质）密度的梯度来使光子“聚拢”，就像汽车在遇到陡峭的山坡时被拉长而聚拢一样。这将彻底改变下一代激光器。

世界上功率最大的激光器的峰值功率约为10 petawatts。从上下文来看，173 petawatts（173×10¹⁵W）的阳光照射到地球高层大气，其中约三分之一照射到地球表面。1petawatt 等于10¹⁵W，1 exawatt等于10¹⁸W，1 zettawatt等于10²¹W。

高功率激光器产生的光脉冲持续时间非常短，通常只有几飞秒（一飞秒等于10^-15秒），这是通过一种称为啁啾脉冲放大（CPA）技术实现的。CPA包括脉冲压缩，它将激光脉冲能量集中在很短的时间内，从而将其峰值功率提高了许多数量级。

斯特拉思克莱德大学物理系的Dino Jaroszynski教授说：一个重要的基本问题是，当光强超过地球上常见的水平时会发生什么。高功率激光器使科学家们能够回答有关物质和真空性质的基本问题，并探索前沿技术领域。

等离子体中的脉冲压缩概念

UNIST的Min Sip Hur教授说：这项研究的成果有望应用于各个领域，包括高级理论物理和天体物理学。它还可用于激光核聚变研究，帮助解决人类面临的能源问题。韩国和英国的联合团队计划在实验室对这一想法进行实验测试。

GIST的Hyyong Suk教授说：等离子体可以在CPA系统中发挥类似于传统衍射光栅的作用，但它是一种不会被损坏的材料。因此，它将通过一个非常简单的附加组件来增强传统的CPA 技术。即使是几厘米大小的等离子体，也可用于峰值功率超过埃瓦的激光器。

Exawatts和zetawatts的功率似乎很大，当然也确实很大，但只要使用透镜或曲面镜将激光脉冲聚焦到一个小点上，集中能量，其强度就能大幅提高。与在时间上把激光脉冲压缩到很短的持续时间类似，在空间上也可以通过压缩脉冲来实现同样的效果，即把脉冲聚焦到一个小点上。因此，在空间或时间上进行压缩，可以增加激光脉冲的强度。使用透镜将阳光聚焦到一张纸上，可以很容易地测试空间压缩；纸会自燃。

随着强度的增加，物质会发生各种变化。例如，当可见光波长的强度超过10¹⁰-10¹²W/cm²时，空气会发生电离；当电子受到强度超过10¹⁸W/cm²的激光照射时，它们会接近光速，从而进入相对论光学领域。

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会对其自身的辐射场产生反应，这是当前物理学的强度前沿。当强度超过10²⁹W/cm²时，也就是所谓的施温格极限，粒子直接从真空中产生，光可以直接转化为物质。这需要从exawatt到zettawatt 激光器。

了解强度超过10²⁴W/cm²的物质和真空的性质是现代物理学的一大挑战。大功率激光器还能在实验室中研究天体物理现象，为了解恒星内部和宇宙起源提供独到的见解。