Strani tim razvija novi način stvaranja laserskih impulsa s 1,000 puta većom snagom!

Nedavno su znanstvenici u zajedničkoj studiji upotrijebili računalne simulacije kako bi demonstrirali novu metodu sažimanja svjetlosti kako bi se dovoljno povećao njen intenzitet za izvlačenje čestica iz vakuuma i proučavanje prirode materije.
Kako bi to postigle, tri istraživačke skupine udružile su snage kako bi stvorile vrlo posebno zrcalo - ono koje ne samo da reflektira svjetlosne impulse, već ih i komprimira u vremenu za faktor veći od 200, s potencijalom za daljnju kompresiju.
Tim sa Sveučilišta u Strathclydeu, UNIST-a i GIST-a došao je na jednostavnu ideju - koristiti gradijente u gustoći plazme (potpuno ionizirane materije) za "grupiranje" fotona, slično skupu razvučenih automobila! pri nailasku na strmo brdo. To bi moglo revolucionirati sljedeću generaciju lasera, povećavajući njihovu snagu više od milijun puta nego što je to danas moguće.
Ova nova metoda kompresije laserskih impulsa u plazmi objavljena je u časopisu Nature Photonics.
Najjači laseri na svijetu imaju vršnu snagu od oko 10 otkucaja vata. U tom kontekstu, 173 otkucaja vata (173 x 1015 W) sunčeve svjetlosti dopire do Zemljine gornje atmosfere, a otprilike jedna trećina toga dopire do Zemljine površine. Beat-watt je 1015 W, ewatt je 1018 W, a zephyr-watt je 1021 W. Sunce proizvodi 4x1026 watta električne energije ili 400000 zettawattsa.
Laseri velike snage proizvode svjetlosne impulse vrlo kratkog trajanja, obično nekoliko femtosekundi (1 femtosekunda=10-15 sekundi), što se postiže tehnikom koja se naziva pojačanje chirped pulsa (CPA), koja uključuje kompresiju impulsa, u biti koncentrirajući energiju laserskog pulsa tijekom kratkog vremenskog razdoblja, povećavajući tako njegovu vršnu snagu za mnogo redova veličine.
Profesor Dino Jaroszynski, s Odsjeka za fiziku na Sveučilištu Strathclyde, rekao je: "Važno i temeljno pitanje je što se događa kada intenzitet svjetlosti premaši razine uobičajene na Zemlji. Laseri velike snage omogućuju znanstvenicima da odgovore na temeljna pitanja o prirodi materije i vakuuma, te istražiti takozvanu granicu intenziteta."
"Primjena terawatt do beat-watt lasera na materiju omogućuje razvoj sljedeće generacije laserskih plazma plinskih papučica, koje su tisuće puta manje od konvencionalnih plinskih papučica. Omogućavanje znanstvenicima novih alata mijenja način na koji se provode znanstvena istraživanja . Osnovali smo Škotski centar za aplikacije akceleratora plazme (SCAPA) na Sveučilištu Strathclyde kako bismo unaprijedili aplikacije temeljene na laserima velike snage."
Profesor Min Sip Hur s UNIST-a rekao je: "Očekuje se da će rezultati ovog istraživanja biti primjenjivi na različita područja, uključujući naprednu teorijsku fiziku i astrofiziku. Također bi se mogli koristiti u istraživanju laserske fuzije kako bi se pomoglo u rješavanju energetskih problema s kojima se čovječanstvo suočava. Naš zajednički korejski i britanski tim planira eksperimentalno potvrditi te ideje u laboratoriju."
Prof. Hyyong Suk iz GIST-a rekao je: "Plazma može igrati sličnu ulogu u CPA sustavu kao i konvencionalna difrakcijska rešetka, ali to je materijal koji neće biti uništen. Stoga će poboljšati konvencionalnu CPA tehnologiju uključivanjem vrlo jednostavnog dodatna komponenta. Čak i ako je plazma velika samo nekoliko centimetara, može se koristiti u laserima s vršnom snagom većom od 100 milijuna vata."
Milijarda vata i nula vata već su doista vrlo velike snage, ali njihov se intenzitet može znatno povećati jednostavnom upotrebom leća ili zakrivljenih zrcala za fokusiranje laserskog pulsa na malu točku kako bi se koncentrirala njegova energija. Slično sažimanju laserskog pulsa u vremenu na kraće trajanje, isto se može učiniti za komprimiranje pulsa u prostoru, tj. fokusiranje na malu točku. Dakle, kompresija, u prostoru ili vremenu, omogućuje povećanje intenziteta laserskog pulsa na vrlo općenit način. Prostorna kompresija može se lako testirati korištenjem leće za fokusiranje sunčeve svjetlosti na komad papira; spontano će se zapaliti.
Materija prolazi kroz razne promjene sve jačim intenzitetom. Na primjer, ionizacija zraka na vidljivim valnim duljinama premašuje 1010-1012 W/cm2, a kada se elektroni podvrgnu laserima intenziteta većeg od 1018 W/cm2, približavaju se brzini svjetlosti, što dovodi do carstva relativističke optike.
Pri intenzitetu od 1024 W/cm2 i više, protoni se približavaju brzini svjetlosti, a čestice koje doživljavaju jako lasersko polje reagiraju s vlastitim poljem zračenja, što je trenutna granica intenziteta u fizici. Kod intenziteta iznad 1029 W/cm2, dobro poznate Schwingerove granice, čestice se stvaraju izravno iz vakuumske svjetlosti i mogu se pretvoriti izravno u materiju. To zahtijeva AiW do ZiW lasere.
Razumijevanje prirode materije i vakuuma pri intenzitetima iznad 1024 W/cm2 jedan je od izuzetnih izazova moderne fizike. Laseri velike snage također omogućuju proučavanje astrofizičkih fenomena u laboratoriju, pružajući jedinstvene uvide u unutrašnjost zvijezda i podrijetlo svemira.