近期，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所相對論激光科學(xué)中心（CoReLS）的研究人員使用拍瓦級激光器刷新了激光脈沖強度的世界紀(jì)錄，超過1023W/cm2。此前，激光脈沖強度的世界紀(jì)錄是由美國密歇根大學(xué)研究團隊在 2004年創(chuàng)造的。新的世界紀(jì)錄比上一次足足高出了10倍。研究人員的報告刊登在國外專業(yè)期刊雜志Optica 上。該文章是研究團隊提高激光器產(chǎn)生的激光脈沖強度所做的多年努力的結(jié)果。

　　研究人員表示，該成就是在先前工作的基礎(chǔ)上獲得的。研究人員展示了飛秒鈦寶石激光器（Ti:sapphire laser）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生4 拍瓦（PW）的激光脈沖，持續(xù)時間少于20fs，聚焦的光斑可達1μm。鈦寶石激光器最早于2017 年問世，超高強度激光脈沖的實現(xiàn)，將使人們能夠以前所未有的方式探索光與物質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用。

　　研究團隊通過更緊密地聚焦光束實現(xiàn)了激光脈沖強度的新里程碑。研究人員使用離軸拋物面鏡將28cm 的激光束聚焦到僅1.1μm 寬的點上。只有在沒有波前畸變激光束的情況下，才能達到衍射極限緊密聚焦的水平。為了實現(xiàn)激光束的純凈度，研究小組使用了一組可變形的鏡子來校正波前畸變。

　　CoReLS 制成的4 拍瓦激光器是一臺基于啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的飛秒超高功率鈦寶石激光器。脈沖擴展器將來自前端的低能量飛秒脈沖擴展為納秒脈沖，然后通過兩個功率放大器將其放大至4.5J，然后通過兩個升壓放大器將其放大至112J。激光束的大小通過一系列擴束器沿其路徑增加：分別在功率放大器之后25mm，在第一升壓放大器的入口處65mm，在第二升壓放大器的入口處85mm，在脈沖壓縮機入口處的280mm。在脈沖壓縮器中，激光脈沖被重新壓縮到20fs，在壓縮后其峰值功率達到4 拍瓦。

　　為了在目標(biāo)上產(chǎn)生高強度的激光脈沖，必須非常緊密地聚焦產(chǎn)生的光脈沖。在這項新工作中，研究人員應(yīng)用了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)以精確補償光學(xué)畸變。該系統(tǒng)包括可變形的反射鏡，該反射鏡具有可控制的反射表面形狀，可精確地校正激光器中的畸變并產(chǎn)生具有非常良好控制的波前光束。然后，他們使用了一個大的離軸拋物面反射鏡來獲得非常緊密的聚焦。這個過程需要聚焦光學(xué)系統(tǒng)的精細(xì)處理。

　　在最后一個升壓放大器之后，研究人員放置了第一個直徑為100mm 的可變形反射鏡，以校正累積到最終擴束器前端的波前畸變。在脈沖壓縮器，光束傳輸線和目標(biāo)區(qū)域之后，安裝了直徑為310mm 的第二個可變形反射鏡。在目標(biāo)室中，拍瓦激光束通過f/1.1離軸拋物面鏡聚焦，其有效焦距為300mm。

　　為了對聚焦點進行成像和表征，研究人員通過物鏡對聚焦光束進行準(zhǔn)直然后通過分束器將其分為兩束，用于聚焦和波前表征。同時，研究人員還使用了照相機來對反射激光束進行焦點監(jiān)測。

　　CoReLS 主任兼光州科技學(xué)院教授Chang Hee Nam表示：“這種高強度激光將使我們能夠在實驗室中檢查諸如電子光子和光子- 光子散射之類的天體物理學(xué)現(xiàn)象。我們可以使用它進行實驗性測試和驗證理論，其中的有些理論是近一個世紀(jì)前首次提出的。”他補充說，強激光將對強場量子電動力學(xué)具有重要作用。

　　研究人員正在使用這些高強度脈沖來產(chǎn)生能量超過 1GeV（109eV）的電子，并在非線性狀態(tài)下工作，在該非線性狀態(tài)下，一個電子立即與數(shù)百個激光光子發(fā)生碰撞。該過程是一種稱為非線性康普頓散射的強場量子電動力學(xué)。研究人員認(rèn)為它有助于產(chǎn)生極高能的宇宙射線。

　　激光脈沖強度紀(jì)錄的刷新，不僅可以幫助科研人員更好地理解天體物理學(xué)現(xiàn)象，還可以為開發(fā)一種新放射源提供必要的信息，為將來使用高能質(zhì)子治療癌癥的放射治療打下基礎(chǔ)。研究人員利用超高強度激光產(chǎn)生的輻射壓力來加速質(zhì)子。了解這一過程是如何發(fā)生的，可以幫助開發(fā)一種新的基于激光的質(zhì)子源用于癌癥治療。當(dāng)今的放射治療中，使用的放射源需要巨大防輻射罩才能安全使用。預(yù)計激光驅(qū)動的質(zhì)子源將降低系統(tǒng)成本，從而使質(zhì)子源腫瘤治療設(shè)備的成本降低。

　　目前，研究人員不斷提出新的想法，以在不顯著增加激光系統(tǒng)尺寸的情況下，進一步提高激光強度。實現(xiàn)此目的的一種方法是找出減少激光脈沖持續(xù)時間的新方法。由于目前正在運行峰值功率范圍為1PW-10PW 的激光器，并且計劃中的一些設(shè)施達到100PW，毫無疑問，高強度激光脈沖應(yīng)用將在不久的將來取得長足發(fā)展。

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