Ausländisches Team entwickelt neue Methode zur Erzeugung von Laserimpulsen mit 1,{1}-mal höherer Leistung!

Kürzlich haben Wissenschaftler in einer gemeinsamen Studie mithilfe von Computersimulationen eine neue Methode zur Komprimierung von Licht demonstriert, um seine Intensität ausreichend zu erhöhen, um Partikel aus einem Vakuum zu extrahieren und die Natur der Materie zu untersuchen.
Um dies zu erreichen, haben die drei Forschungsgruppen gemeinsam einen ganz besonderen Spiegel entwickelt – einen, der Lichtimpulse nicht nur reflektiert, sondern sie auch zeitlich um einen Faktor von mehr als 200 komprimiert, mit der Möglichkeit einer weiteren Komprimierung.
Das Team der University of Strathclyde, UNIST und GIST hatte eine einfache Idee: Gradienten in der Dichte von Plasma (vollständig ionisierte Materie) zu nutzen, um Photonen zu „clustern“, ähnlich wie bei einer Reihe ausgestreckter Autos! wenn man auf einen steilen Hügel trifft. Dies könnte die nächste Generation von Lasern revolutionieren und ihre Leistung um mehr als eine Million Mal steigern, was heute erreichbar ist.
Diese neue Methode zur Komprimierung von Laserpulsen in einem Plasma wird in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Die leistungsstärksten Laser der Welt haben eine Spitzenleistung von etwa 10 Watt. In diesem Zusammenhang erreichen 173 Beatwatt (173 x 1015 W) Sonnenlicht die obere Erdatmosphäre, wobei etwa ein Drittel davon die Erdoberfläche erreicht. Ein Beat-Watt ist 1015 W, ein Ewatt ist 1018 W und ein Zephyr-Watt ist 1021 W. Die Sonne erzeugt 4x1026 Watt Strom oder 400,000 Zettawatt.
Hochleistungslaser erzeugen Lichtimpulse von sehr kurzer Dauer, typischerweise einige Femtosekunden (1 Femtosekunde=10-15 Sekunden), was durch eine Technik namens Chirped Pulse Amplification (CPA) erreicht wird, die eine Impulskomprimierung beinhaltet, die im Wesentlichen die Energie konzentriert eines Laserpulses über einen kurzen Zeitraum und steigert dadurch seine Spitzenleistung um viele Größenordnungen.
Professor Dino Jaroszynski vom Fachbereich Physik der Universität Strathclyde sagte: „Eine wichtige und grundlegende Frage ist, was passiert, wenn die Intensität des Lichts die auf der Erde üblichen Werte überschreitet.“ Hochleistungslaser ermöglichen es Wissenschaftlern, grundlegende Fragen zur Natur zu beantworten von Materie und Vakuum und zur Erforschung der sogenannten Intensitätsgrenze.“
„Die Anwendung von Terawatt- und Beatwatt-Lasern auf Materie ermöglicht die Entwicklung der nächsten Generation von Laser-Plasma-Gaspedalen, die tausende Male kleiner sind als herkömmliche Gaspedale. Die Bereitstellung neuer Werkzeuge für Wissenschaftler verändert die Art und Weise, wie wissenschaftliche Forschung durchgeführt wird.“ . Wir haben das Scottish Centre for Plasma Accelerator Applications (SCAPA) an der University of Strathclyde gegründet, um Anwendungen auf Basis von Hochleistungslasern voranzutreiben.“
Professor Min Sip Hur von der UNIST sagte: „Die Ergebnisse dieser Forschung werden voraussichtlich auf eine Vielzahl von Bereichen anwendbar sein, einschließlich fortgeschrittener theoretischer Physik und Astrophysik. Sie könnten auch in der Laserfusionsforschung eingesetzt werden, um zur Lösung der Energieprobleme beizutragen, mit denen die Menschheit konfrontiert ist.“ Unser gemeinsames koreanisches und britisches Team plant, diese Ideen im Labor experimentell zu validieren.“
Prof. Hyyong Suk vom GIST sagte: „Das Plasma kann in einem CPA-System eine ähnliche Rolle spielen wie ein herkömmliches Beugungsgitter, aber es ist ein Material, das nicht zerstört wird. Daher wird es die herkömmliche CPA-Technologie durch die Einbindung eines sehr einfachen Verfahrens verbessern.“ Zusatzkomponente. Selbst wenn das Plasma nur wenige Zentimeter groß ist, kann es in Lasern mit Spitzenleistungen von über 100 Millionen Watt eingesetzt werden.“
Eine Milliarde Watt und Nullwatt sind in der Tat bereits sehr hohe Leistungen, aber ihre Intensität kann erheblich gesteigert werden, indem einfach Linsen oder gekrümmte Spiegel verwendet werden, um den Laserimpuls auf einen kleinen Punkt zu fokussieren, um seine Energie zu konzentrieren. Ähnlich wie bei der zeitlichen Komprimierung eines Laserpulses auf eine kürzere Dauer lässt sich der Puls auch räumlich komprimieren, also auf einen kleinen Punkt fokussieren. Die räumliche oder zeitliche Komprimierung ermöglicht also ganz allgemein eine Erhöhung der Laserpulsintensität. Die räumliche Komprimierung lässt sich leicht testen, indem man mit einer Linse das Sonnenlicht auf ein Blatt Papier fokussiert. es wird spontan entzünden.
Materie erfährt mit zunehmender Intensität verschiedene Veränderungen. Beispielsweise überschreitet die Luftionisierung bei sichtbaren Wellenlängen 1010-1012 W/cm2, und wenn Elektronen Lasern mit Intensitäten über 1018 W/cm2 ausgesetzt werden, erreichen sie Lichtgeschwindigkeit, was in den Bereich der relativistischen Optik führt.
Bei Intensitäten von 1024 W/cm2 und mehr nähern sich Protonen der Lichtgeschwindigkeit und Teilchen, die einem starken Laserfeld ausgesetzt sind, reagieren mit ihrem eigenen Strahlungsfeld, dem aktuellen Intensitätsgrenzwert in der Physik. Bei Intensitäten über 1029 W/cm2, der bekannten Schwinger-Grenze, entstehen Partikel direkt aus Vakuumlicht und können direkt in Materie umgewandelt werden. Dies erfordert AiW- bis ZiW-Laser.
Das Verständnis der Natur von Materie und Vakuum bei Intensitäten über 1024 W/cm2 ist eine der herausragenden Herausforderungen der modernen Physik. Hochleistungslaser ermöglichen auch die Untersuchung astrophysikalischer Phänomene im Labor und ermöglichen einzigartige Einblicke in das Innere von Sternen und die Entstehung des Universums.