等离子体激光脉冲压缩，使Zettawatt激光器触手可及

将激光脉冲压缩到超高功率的能力，可能为几瓦及以上的紧凑型激光器开辟道路。这种强大的激光将使科学家能够通过深化对物质性质的研究，来突破物理科学的极限。

近日，苏格兰思克莱德大学、韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）和光州科学技术研究院（GIST）的研究人员联合开发了一种新的激光脉冲压缩方法，利用非均匀等离子体的色散特性来压缩激光脉冲。研究人员表示，该方法比其他基于等离子体的激光脉冲压缩方案更简单、更有效。

研究人员模拟了一个长的负频率啁啾激光脉冲在过密等离子体板的密度斜坡上的反射。他们制造了一面镜子，不仅可以反射光脉冲，还可以将它们在时间上压缩200倍以上。通过调整等离子体的密度，研究人员发现，在频率啁啾的长激光脉冲中，他们可以使高频成分的反射路径比低频成分的路径更长。随着密度的纵向增加，激光脉冲前端的高频光子比低频光子更深入等离子体区域，导致脉冲压缩。

本质上，被完全电离的等离子体密度的梯度导致光子聚集在一起，就像一排汽车在陡峭的山丘上行驶一样。研究人员使用1D细胞内粒子模拟验证了这一概念，表明皮秒激光脉冲可以压缩到几飞秒的持续时间，效率超过99%。原理验证模拟预测2.35皮秒激光脉冲压缩到10.3皮秒，增长了225倍。结果表明，一个小的等离子体体积只有10 厘米直径，足以处理极高功率到7.5 exawatts（1 exawatts=10¹⁸W）。

基于等离子体的方法有可能通过紧凑的压缩设备产生exawatt到zettawatt的激光

这种新的激光脉冲压缩方法与色散镜具有群延迟色散的共同原理，但主要区别在于使用等离子体代替电介质。研究人员预测，使用毫米大小的等离子体光栅，一个长的啁啾脉冲可以被压缩几百次，几乎没有能量损失，该光栅比传统的啁啾脉冲放大（CPA）系统小几个数量级。与CPA中常用的固态光栅不同，等离子体在高强度下坚固耐用，耐损坏。

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，它将通过包括一个非常简单的附加组件来增强传统CPA技术。即使有几厘米大小的等离子体，也可以用于峰值功率超过exawatts的激光器。”

当光的强度增加时，它就能够转化物质。例如，当电子受到10¹⁸W/cm²以上的激光强度时，它们接近光速，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，经历强烈激光场的粒子对自己的辐射场做出反应——这是当前物理学的强度前沿。在10²⁹W/cm²以上的强度下，即施温格极限，粒子是直接从真空中产生的，也就是说，光可以直接转化为物质。达到这一水平的强度需要Exawatt-zettawatt激光器（1 zettawat=10²¹W）。

联合研究小组通过计算机模拟展示了一种潜在方法，可以将光的强度提高到足以从真空中提取粒子用于物质研究的程度。随着进一步的优化，研究人员相信，即使是zettawatt功率也可以从一个紧凑的系统中获得。

理解强度超过10²⁴W/cm²的物质和真空的性质是现代物理学的突出挑战之一。Dino Jaroszynski教授说：“一个重要而根本的问题是，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性质和真空的基本问题，并探索所谓的强度边界。”

他说：“将太瓦（terawatt）到拍瓦（petawatt）的激光应用于物质，使下一代激光等离子体加速器得以发展，它比传统加速器小数千倍。为科学家提供新的工具正在改变科学研究的方式。”

高功率激光还可以在实验室中研究天体物理现象，提供对恒星内部和宇宙起源的一瞥。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学和天体物理学。它还可以用于激光聚变研究，以帮助解决人类面临的能源问题。之后，韩国和英国联合团队计划在实验室对这些想法进行实验测试。”