牛津大学开创大幅提升高功率激光输出新方法

英国牛津大学的物理学家在激光科学领域取得重大突破，首次展示了一种能够显著提升高功率激光强度的实用方法，并称其“可能创造了有史以来最强的相干光源”。这项发表在《自然》期刊上的成果，为通过激光与量子真空直接相互作用来探索物理基本定律的实验开辟了新途径。该研究涉及广泛的国际合作，参与机构包括英国原子武器研究院、密歇根大学和耶拿大学。

Robin Timmis博士正在校准一台光谱仪

研究由牛津大学的Peter Norreys教授和Robin Timmis博士领导，与贝尔法斯特女王大学及英国科学技术设施理事会中央激光设施的科学家紧密合作完成。

团队利用中央激光设施的“双子座”激光器，通过一种特殊过程产生了极其明亮的紫外光。他们将强激光射向等离子体，利用被称为相对论谐波产生的效应，使等离子体像快速移动的镜子一样反射光线。

研究团队还展示了一种进一步聚集这种光的方法，他们称之为相干谐波聚焦。在此过程中，多种不同波长的光被聚合在一起，聚焦到一个极小的区域内，从而产生巨大的能量集中。

相干谐波聚焦生成的示意图。激光聚焦在目标上，反射出的紫色光束形成了一个极端强度的相干谐波聚焦，该聚焦能够通过光产生物质

该研究的第一作者Robin Timmis博士表示：“我们迄今取得的发现令人着迷，感觉对于理解这一机制中丰富而复杂的物理现象，我们才刚刚起步。模拟结果表明，我们可能已经制造出了有史以来最强的相干光源。我希望能尽快重返‘双子座’激光装置进行验证，并将我们的研究成果应用于更大规模的设施，以产生更亮的光。”

研究团队表示，这一突破最终可能使科学家能够探索物理学最极端的前沿之一：光和物质在最基本层面的相互作用方式。例如，它可以让科学家重现极其极端的条件，以至于就连真空空间也会开始表现出非同寻常的行为。

相互作用过程中的真空室。一束相对论强度的激光脉冲聚焦在玻璃靶上，相互作用产生了发出绿色光芒的等离子体，以及一束紫色谐波光束，其中包含适合量子真空研究的极端相干光场

在这样的强度下，光可能能够直接从真空中产生粒子，为检验关于宇宙本质的长期理论提供了一条途径。这将给研究人员提供一个难得的机会，在一个全新的领域中比较理论与实验的差异。

利用相干谐波聚焦技术，甚至有可能产生并探测引力波——这正是研究人员的探索目标之一，同时还能在从未探索过的领域检验研究团队对量子场论的理解。

这项研究还有助于推动可立即应用于半导体制造等行业的激光技术发展，同时也能支持建设实用聚变能源系统这一长期目标。