Impulsi laser da record consentono di studiare i fenomeni astrofisici in laboratorio

I ricercatori hanno dimostrato un’elevata intensità dell’impulso laser standard di oltre 10²³ W / cm² Utilizzo dei laser Betawatt presso il Center for Relative Laser Science (CoReLS), Institute of Basic Sciences of the Republic of Korea. Ci sono voluti più di un decennio per raggiungere questa densità laser, dieci volte quella che un team dell’Università del Michigan ha riportato nel 2004. Questi impulsi di luce ad alta intensità consentiranno di esplorare le complesse interazioni tra luce e materia in modi che non lo erano. possibile prima.

Il potente laser può essere utilizzato per esaminare i fenomeni ritenuti responsabili dei raggi cosmici ad alta energia, che hanno energie superiori a un quadrilione (1015) di elettronvolt (eV). Sebbene gli scienziati sappiano che questi raggi provengono da qualche parte al di fuori del nostro sistema solare, come sono fatti e di cosa sono fatti è rimasto un antico mistero.

“Questo laser ad alta intensità ci consentirà di esaminare fenomeni astrofisici come lo scattering di elettroni, fotoni e fotoni in laboratorio”, ha affermato Chang Hee Nam, direttore del CoReLS e professore al Gwangju Institute of Science and Technology. “Possiamo usarlo per testare e raggiungere sperimentalmente idee teoriche, alcune delle quali sono state proposte per la prima volta quasi un secolo fa”.

a VisivoÈ il Journal of the Optical Association (OSA) per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori hanno presentato i risultati di anni di lavoro per aumentare l’intensità degli impulsi laser dai laser CoReLS. Lo studio delle interazioni del materiale laser richiede un raggio laser altamente focalizzato ei ricercatori sono stati in grado di focalizzare gli impulsi laser su una dimensione del punto di poco più di un micron, meno di un cinquanta del diametro di un capello umano. La nuova intensità del laser da record può essere paragonata alla concentrazione di tutta la luce che raggiunge la Terra dal Sole in un punto di 10 micron.

I ricercatori hanno creato impulsi ad alta intensità utilizzando un laser betawatt (nella foto) presso il Center for Relative Laser Science (CoReLS) nella Repubblica di Corea. Questo laser ad alta intensità consentirà agli scienziati di esaminare fenomeni astrofisici come lo scattering di elettroni, fotoni e fotoni in laboratorio. Credito: Chang Hee Nam, CoReLS

“Questo laser ad alta intensità ci consentirà di affrontare scienze nuove e stimolanti, in particolare l’elettrodinamica del campo quantistico forte, che è stata affrontata principalmente dai teorici”, ha detto Nam. “Oltre ad aiutarci a comprendere meglio i fenomeni astrofisici, può anche fornire le informazioni necessarie per sviluppare nuove fonti per un tipo di radioterapia che utilizza protoni ad alta energia per curare il cancro”.

Aumenta la densità degli impulsi

La nuova svolta si estende al lavoro precedente in cui i ricercatori hanno dimostrato un sistema laser a femtosecondi, basato su Ti: Sapphire, che produce 4 impulsi di petawatt (PW) con periodi inferiori a 20 femtosecondi con un focus su uno spot da 1 μm. Questo laser, segnalato nel 2017, ha prodotto circa 1.000 volte più energia di tutta l’energia elettrica sulla Terra in un impulso laser della durata di sole venti parti per milionesimo di secondo.

Per produrre impulsi laser ad alta intensità su un bersaglio, gli impulsi luminosi generati devono essere focalizzati molto strettamente. In questo nuovo lavoro, i ricercatori hanno applicato un sistema di ottica adattiva per compensare con precisione le distorsioni ottiche. Questo sistema include specchi deformabili, che hanno una forma della superficie riflettente controllabile, per correggere con precisione le distorsioni nel laser e generare un raggio con un fronte d’onda ben controllato. Quindi hanno usato un grande specchio fuori asse per ottenere una messa a fuoco molto stretta. Questo processo richiede un’attenta manipolazione del sistema di messa a fuoco ottica.

La camera di reazione del materiale laser ad accelerazione protonica, dove la densità focale è maggiore di 10²³ W / cm² Lo dimostra l’intensa focalizzazione di un raggio laser multi bitow con uno specchio parabolico fuori asse F / 1.1. Credito: Zhang Hee Nam

“I nostri anni di esperienza acquisiti durante lo sviluppo di laser ad alta potenza ci hanno permesso di portare a termine l’enorme compito di focalizzare un laser PW con una dimensione del fascio di 28 cm su un punto micrometrico per ottenere una densità laser superiore a 10²³ W / cm²Lui si addormentò.

Studia i processi ad alta energia

I ricercatori utilizzano questi impulsi ad alta intensità per produrre elettroni con energia superiore a 1 GeV (109 MeV) e per lavorare in un sistema non lineare in cui un elettrone si scontra con diverse centinaia di fotoni laser contemporaneamente. Questo processo è un tipo di elettrodinamica quantistica a campo forte chiamato scattering Compton non lineare, che si ritiene contribuisca alla generazione di raggi cosmici altamente energetici.

Utilizzeranno anche la pressione di radiazione del laser ad alta intensità per accelerare i protoni. Capire come si verifica questo processo potrebbe aiutare lo sviluppo di una nuova fonte di protoni basata sul laser per i trattamenti contro il cancro. Le sorgenti utilizzate oggi nella radioterapia sono create con un acceleratore che richiede un massiccio scudo contro le radiazioni. Si prevede che la sorgente di protoni alimentata a laser ridurrà il costo del sistema, rendendo la macchina per la terapia del tumore protonica meno costosa e quindi ampiamente accessibile ai pazienti.

I ricercatori continuano a sviluppare nuove idee per migliorare ulteriormente la densità del laser senza aumentare in modo significativo le dimensioni del sistema laser. Un modo per ottenere questo risultato è scoprire un nuovo modo per ridurre la durata dell’impulso laser. Con laser con potenza massima che va da 1 a 10 PW ora in funzione e sono previste strutture fino a 100 PW, non c’è dubbio che la fisica ad alta intensità avanzerà enormemente nel prossimo futuro.

Riferimento: “Raggiungere un’intensità del laser superiore a 10²³ W / cm²Di JW Yoon, YG Kim, IW Choi, JH Sung, HW Lee, SK Lee e CH Nam il 6 maggio 2021, Visivo.
DOI: 10.1364 /ottica.420520