为高功率激光器创造 “幽灵般的镜子”

发布时间:2023-02-10 03:02:13.000Z

Dino Jaroszynski教授在卢瑟福-阿普尔顿实验室的中央激光设施研究等离子体光子结构的实验装置。资料来源:斯特拉斯克莱德大学

在斯特拉斯克莱德大学领导的研究中,能够反射或操纵光线的激光驱动的 "镜子 "已经产生。

这种 "镜子 "只存在于一个片段,但可以帮助减少超高功率激光器的尺寸,这些激光器目前占据了飞机机库大小的建筑物,并减少到大学地下室的尺寸。

它们有可能被开发成各种基于等离子体的高损伤阈值光学元件,从而导致小尺寸、超高功率、超短脉冲激光系统。

生产镜子和其他光学元件的新方法为开发下一代高功率激光器指明了方向,从几百petawatts(1015瓦特)到exawatts(1018瓦特)。

这项新的研究已经发表在《通信物理学》上。

斯特拉思克莱德大学物理系的Dino Jaroszynski教授领导了这项研究。他说:"高功率激光器是实现医学、生物学、材料科学、化学和物理学等许多领域研究的工具。"

"使高功率激光器更广泛地被使用将改变科学的完成方式;一所大学可以在一个房间里,在一个桌面上,以合理的价格拥有这些工具。"

"这项工作大大推进了高功率激光器的最先进技术,提出了创建光学元件的新方法,这些光学元件比现有的元件更坚固,而且还具有瞬时性,这使它们变得独一无二。"

"这更紧凑,更坚固,可以为高功率激光器提供一个范式的转变,这将刺激新的研究方向。提出的新方法也会引起开发和使用高功率激光器的不同群体的广泛兴趣"。

"该小组现在正计划进行进一步的原理验证实验,以证明等离子体光学元件的稳健性和保真度。"

这项新的研究利用反传播激光束制作了分层等离子体镜。等离子体是完全电离的气体,构成了可见宇宙的绝大部分。逆传播激光束在等离子体中产生一个节拍波,驱动电子和离子进入一个规则的分层结构,作为一个非常坚固的高反射率的镜子。

这种镜子只是转瞬即逝地存在,只有几皮秒--不到1/100,000,000,000秒--它的幽灵般的存在使得非常强烈的激光可以被反射或操纵。

瞬时分层等离子体被称为体布拉格光栅,类似于晶体中的布拉格结构,宽度只有几毫米。它有可能被开发成各种基于等离子体的、高损伤阈值的光学元件,从而导致小尺寸、超高功率、超短脉冲激光系统。

斯特拉思克莱德大学的Gregory Vieux博士与Jaroszynski教授在科技设施委员会(STFC)的卢瑟福-阿普尔顿实验室(RAL)设计并进行了实验,他说:"这种生产瞬态稳健等离子体镜的新方法可以彻底改变加速器和光源,因为它将使它们非常紧凑,并能够产生超短持续时间的超强光脉冲,这比通过任何其他手段可以轻易产生的光脉冲短很多。"

"等离子体可以承受高达每平方厘米1018瓦的强度,这超过了传统光学元件的损坏阈值四或五个数量级。这将使光学元件的尺寸减少两到三个数量级,将米大小的光学元件缩小到毫米或厘米。"

更多信息:Grégory Vieux等,基于等离子体的放大器中瞬时等离子体光子结构的作用,《通信物理学》(2023)。DOI: 10.1038/s42005-022-01109-5

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