צוות זר מפתח דרך חדשה ליצור פעימות לייזר עם פי 1,000 כוח!

לאחרונה, מדענים במחקר משותף השתמשו בסימולציות ממוחשבות כדי להדגים שיטה חדשה של דחיסת אור כדי להגביר את עוצמתו במידה מספקת כדי לחלץ חלקיקים מוואקום ולחקור את טבע החומר.
כדי להשיג זאת, שלוש קבוצות המחקר חברו יחד ליצירת מראה מאוד מיוחדת - כזו שלא רק משקפת את פעימות האור, אלא גם דוחסת אותם בזמן בפקטור של יותר מ-200, עם פוטנציאל לדחיסה נוספת.
הצוות מאוניברסיטת Strathclyde, UNIST ו-GIST הגה רעיון פשוט - להשתמש בשיפועים בצפיפות הפלזמה (חומר מיונן לחלוטין) כדי "לקבץ" פוטונים, בדומה לסט של מכוניות מתוחות! כאשר נתקלים בגבעה תלולה. זה יכול לחולל מהפכה בדור הבא של הלייזרים, ולהגדיל את כוחם ביותר מפי מיליון ממה שניתן להשיג כיום.
שיטה חדשה זו של דחיסת פולסי לייזר בפלזמה מתפרסמת בכתב העת Nature Photonics.
הלייזרים בעלי ההספק הגבוה ביותר בעולם הם בעלי הספק שיא של כ-10 פעימות וואט. בהקשר זה, 173 פעימות וואט (173 x 1015 W) של אור השמש מגיע לאטמוספירה העליונה של כדור הארץ, כשכשליש מזה מגיע לפני השטח של כדור הארץ. קצב וואט הוא 1015 וואט, וואט הוא 1018 וואט וזפיר וואט הוא 1021 וואט. השמש מפיקה 4x1026 וואט חשמל או 400,000 זטה וואט.
לייזרים בעלי הספק גבוה מייצרים פעימות אור באורך קצר מאוד, בדרך כלל כמה פמטשניות (1 פמטשניה=10-15 שניות), אשר מושגת על ידי טכניקה הנקראת הגברת דופק ציוץ (CPA), הכוללת דחיסת דופק, בעצם ריכוז האנרגיה של דופק לייזר על פני פרק זמן קצר, ובכך להגדיל את שיא ההספק שלו בסדרי גודל רבים.
פרופסור דינו ירוסינסקי, מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת סטראטקלייד, אמר: "שאלה חשובה ומהותית היא מה קורה כאשר עוצמת האור עולה על הרמות הנפוצות על פני כדור הארץ. לייזרים בעלי הספק גבוה מאפשרים למדענים לענות על שאלות בסיסיות על הטבע. של החומר והוואקום, ולחקור את מה שנקרא גבול העוצמה."
"היישום של טרה-וואט על לייזרים קצב-וואט לחומר מאפשר את הפיתוח של הדור הבא של דוושות גז פלזמה לייזר, הקטנות אלפי מונים מדוושות גז קונבנציונליות. מתן כלים חדשים למדענים משנה את הדרך בה מתנהל מחקר מדעי הקמנו את המרכז הסקוטי ליישומי מאיץ פלזמה (SCAPA) באוניברסיטת Strathclyde כדי לקדם יישומים המבוססים על לייזרים בעלי הספק גבוה."
פרופסור Min Sip Hur מ-UNIST אמרה, "תוצאות המחקר הזה צפויות להיות ישימות במגוון תחומים, כולל פיזיקה תיאורטית ואסטרופיזיקה מתקדמת. זה יכול לשמש גם במחקר היתוך לייזר כדי לסייע בפתרון בעיות האנרגיה העומדות בפני האנושות. הצוות המשותף הקוריאני והאנגלי שלנו מתכנן לאמת את הרעיונות הללו במעבדה.
פרופ' הייונג סוק מ-GIST אמר, "הפלזמה יכולה למלא תפקיד דומה במערכת CPA כמו סורג עקיפה קונבנציונלי, אבל זה חומר שלא ייהרס. לכן, היא תשפר את טכנולוגיית ה-CPA הקונבנציונלית על ידי הכללת חומר פשוט מאוד. רכיב תוסף. גם אם גודל הפלזמה הוא רק כמה סנטימטרים, ניתן להשתמש בה בלייזרים עם הספק שיא העולה על 100 מיליון וואט".
מיליארד וואט ואפס וואט הם כבר הספקים גבוהים מאוד, אבל את עוצמתם ניתן להגביר מאוד על ידי שימוש פשוט בעדשות או במראות מעוקלות כדי למקד את דופק הלייזר לנקודה קטנה כדי לרכז את האנרגיה שלו. בדומה לדחיסת דופק לייזר בזמן לפרק זמן קצר יותר, ניתן לעשות את אותו הדבר כדי לדחוס את הדופק בחלל, כלומר למקד אותו לנקודה קטנה. אז דחיסה, במרחב או בזמן, מאפשרת עלייה בעוצמת דופק הלייזר באופן כללי מאוד. ניתן לבדוק בקלות דחיסה מרחבית על ידי שימוש בעדשה למיקוד אור השמש על פיסת נייר; זה יתלקח באופן ספונטני.
החומר עובר שינויים שונים בעוצמה הולכת וגוברת. לדוגמה, יינון אוויר באורכי גל גלויים עולה על 1010-1012 W/cm2, וכאשר אלקטרונים נתונים ללייזרים בעלי עוצמות העולה על 1018 W/cm2, הם מתקרבים למהירות האור, מה שמוביל לתחום האופטיקה היחסית.
בעוצמות של 1024 W/cm2 ומעלה, פרוטונים מתקרבים למהירות האור, וחלקיקים החווים שדה לייזר חזק מגיבים עם שדה הקרינה שלהם, שהוא גבול העוצמה הנוכחי בפיזיקה. בעוצמות מעל 1029 W/cm2, הגבול הידוע של שווינגר, חלקיקים נוצרים ישירות מאור ואקום וניתן להמירם ישירות לחומר. זה דורש לייזרים AiW ל-ZiW.
הבנת טבע החומר והוואקום בעוצמות מעל 1024 W/cm2 היא אחד האתגרים הבולטים של הפיזיקה המודרנית. לייזרים בעלי הספק גבוה מאפשרים גם חקר תופעות אסטרופיזיות במעבדה, ומספקים תובנות ייחודיות לגבי פנים הכוכבים ומקורות היקום.