韩国研究人员刷新世界激光脉冲纪录

　　近期，韩国基础科学研究所相对论激光科学中心（CoReLS）的研究人员使用拍瓦级激光器刷新了激光脉冲强度的世界纪录，超过1023W/cm2。此前，激光脉冲强度的世界纪录是由美国密歇根大学研究团队在 2004年创造的。新的世界纪录比上一次足足高出了10倍。研究人员的报告刊登在国外专业期刊杂志Optica 上。该文章是研究团队提高激光器产生的激光脉冲强度所做的多年努力的结果。

　　研究人员表示，该成就是在先前工作的基础上获得的。研究人员展示了飞秒钛宝石激光器（Ti:sapphire laser）系统，该系统可产生4 拍瓦（PW）的激光脉冲，持续时间少于20fs，聚焦的光斑可达1μm。钛宝石激光器最早于2017 年问世，超高强度激光脉冲的实现，将使人们能够以前所未有的方式探索光与物质之间复杂的相互作用。

　　研究团队通过更紧密地聚焦光束实现了激光脉冲强度的新里程碑。研究人员使用离轴抛物面镜将28cm 的激光束聚焦到仅1.1μm 宽的点上。只有在没有波前畸变激光束的情况下，才能达到衍射极限紧密聚焦的水平。为了实现激光束的纯净度，研究小组使用了一组可变形的镜子来校正波前畸变。

　　CoReLS 制成的4 拍瓦激光器是一台基于啁啾脉冲放大技术（CPA）的飞秒超高功率钛宝石激光器。脉冲扩展器将来自前端的低能量飞秒脉冲扩展为纳秒脉冲，然后通过两个功率放大器将其放大至4.5J，然后通过两个升压放大器将其放大至112J。激光束的大小通过一系列扩束器沿其路径增加：分别在功率放大器之后25mm，在第一升压放大器的入口处65mm，在第二升压放大器的入口处85mm，在脉冲压缩机入口处的280mm。在脉冲压缩器中，激光脉冲被重新压缩到20fs，在压缩后其峰值功率达到4 拍瓦。

　　为了在目标上产生高强度的激光脉冲，必须非常紧密地聚焦产生的光脉冲。在这项新工作中，研究人员应用了自适应光学系统以精确补偿光学畸变。该系统包括可变形的反射镜，该反射镜具有可控制的反射表面形状，可精确地校正激光器中的畸变并产生具有非常良好控制的波前光束。然后，他们使用了一个大的离轴抛物面反射镜来获得非常紧密的聚焦。这个过程需要聚焦光学系统的精细处理。

　　在最后一个升压放大器之后，研究人员放置了第一个直径为100mm 的可变形反射镜，以校正累积到最终扩束器前端的波前畸变。在脉冲压缩器，光束传输线和目标区域之后，安装了直径为310mm 的第二个可变形反射镜。在目标室中，拍瓦激光束通过f/1.1离轴抛物面镜聚焦，其有效焦距为300mm。

　　为了对聚焦点进行成像和表征，研究人员通过物镜对聚焦光束进行准直然后通过分束器将其分为两束，用于聚焦和波前表征。同时，研究人员还使用了照相机来对反射激光束进行焦点监测。

　　CoReLS 主任兼光州科技学院教授Chang Hee Nam表示：“这种高强度激光将使我们能够在实验室中检查诸如电子光子和光子- 光子散射之类的天体物理学现象。我们可以使用它进行实验性测试和验证理论，其中的有些理论是近一个世纪前首次提出的。”他补充说，强激光将对强场量子电动力学具有重要作用。

　　研究人员正在使用这些高强度脉冲来产生能量超过 1GeV（109eV）的电子，并在非线性状态下工作，在该非线性状态下，一个电子立即与数百个激光光子发生碰撞。该过程是一种称为非线性康普顿散射的强场量子电动力学。研究人员认为它有助于产生极高能的宇宙射线。

　　激光脉冲强度纪录的刷新，不仅可以帮助科研人员更好地理解天体物理学现象，还可以为开发一种新放射源提供必要的信息，为将来使用高能质子治疗癌症的放射治疗打下基础。研究人员利用超高强度激光产生的辐射压力来加速质子。了解这一过程是如何发生的，可以帮助开发一种新的基于激光的质子源用于癌症治疗。当今的放射治疗中，使用的放射源需要巨大防辐射罩才能安全使用。预计激光驱动的质子源将降低系统成本，从而使质子源肿瘤治疗设备的成本降低。

　　目前，研究人员不断提出新的想法，以在不显着增加激光系统尺寸的情况下，进一步提高激光强度。实现此目的的一种方法是找出减少激光脉冲持续时间的新方法。由于目前正在运行峰值功率范围为1PW-10PW 的激光器，并且计划中的一些设施达到100PW，毫无疑问，高强度激光脉冲应用将在不久的将来取得长足发展。