تسمح نبضات الليزر المحطمة للأرقام القياسية بدراسة الظواهر الفيزيائية الفلكية في المختبر

مفهوم الفنان.

أظهر الباحثون كثافة نبضة ليزر قياسية عالية تزيد عن 10²³ ث / سم² باستخدام ليزر بيتاوات في مركز علوم الليزر النسبية (CoReLS) ، معهد العلوم الأساسية في جمهورية كوريا. استغرق الأمر أكثر من عقد للوصول إلى كثافة الليزر هذه ، وهي عشرة أضعاف ما ذكره فريق في جامعة ميشيغان في عام 2004. هذه النبضات الضوئية عالية الكثافة ستمكن من استكشاف التفاعلات المعقدة بين الضوء والمادة بطرق لم تكن ممكنة من قبل.

يمكن استخدام الليزر القوي لفحص الظواهر التي يُعتقد أنها مسؤولة عن الأشعة الكونية عالية الطاقة ، والتي لها طاقات تزيد عن كوادريليون (1015) إلكترون فولت (eV). على الرغم من أن العلماء يعرفون أن هذه الأشعة تنشأ من مكان ما خارج نظامنا الشمسي ، إلا أن كيفية صنعها وما الذي يتكون منها ظل لغزًا قديمًا.

قال Chang Hee Nam ، مدير CoReLS والأستاذ في معهد Gwangju للعلوم والتكنولوجيا: “سيسمح لنا هذا الليزر عالي الكثافة بفحص الظواهر الفيزيائية الفلكية مثل تشتت الإلكترون والفوتون والفوتون في المختبر”. “يمكننا استخدامه لاختبار الأفكار النظرية والوصول إليها تجريبيًا ، والتي تم اقتراح بعضها لأول مرة منذ ما يقرب من قرن من الزمان.”

في بصريوهي مجلة الجمعية البصرية (OSA) للأبحاث عالية التأثير ، قدم الباحثون نتائج سنوات من العمل لزيادة كثافة نبضات الليزر من ليزر CoReLS. تتطلب دراسة تفاعلات المادة بالليزر شعاع ليزر شديد التركيز ، وتمكن الباحثون من تركيز نبضات الليزر على حجم بقعة يزيد قليلاً عن ميكرون واحد ، أي أقل من واحد على خمسين قطر شعرة الإنسان. شدة الليزر الجديدة التي حطمت الرقم القياسي يمكن مقارنتها بتركيز كل الضوء الواصل إلى الأرض من الشمس إلى بقعة تبلغ 10 ميكرون.

ابتكر الباحثون نبضات عالية الكثافة باستخدام ليزر بيتاوات (في الصورة) في مركز علوم الليزر النسبي (CoReLS) في جمهورية كوريا. سيسمح هذا الليزر عالي الكثافة للعلماء بفحص الظواهر الفيزيائية الفلكية مثل تشتت الإلكترون والفوتون والفوتون في المختبر. الائتمان: تشانغ هي نام ، CoReLS

قال نام: “سيسمح لنا هذا الليزر عالي الكثافة بمعالجة العلوم الجديدة والمليئة بالتحديات ، وخاصة الديناميكا الكهربية القوية للمجال الكمي ، والتي تم التعامل معها بشكل أساسي من قبل المنظرين”. “بالإضافة إلى مساعدتنا على فهم الظواهر الفيزيائية الفلكية بشكل أفضل ، يمكن أن توفر أيضًا المعلومات اللازمة لتطوير مصادر جديدة لنوع من العلاج الإشعاعي يستخدم البروتونات عالية الطاقة لعلاج السرطان.”

زيادة كثافة البقول

يمتد الإنجاز الجديد إلى العمل السابق الذي أظهر فيه الباحثون نظام ليزر فيمتوثانية ، يعتمد على Ti: Sapphire ، ينتج 4 بيتاوات (PW) نبضات بفترات تقل عن 20 فمتوثانية مع التركيز على بقعة 1 ميكرومتر. أنتج هذا الليزر ، الذي تم الإبلاغ عنه في عام 2017 ، طاقة أكبر بنحو 1000 مرة من كل الطاقة الكهربائية الموجودة على الأرض في نبضة ليزر لا تدوم سوى عشرين جزءًا من المليون من الثانية.

لإنتاج نبضات ليزر عالية الكثافة على الهدف ، يجب تركيز النبضات الضوئية المتولدة بإحكام شديد. في هذا العمل الجديد ، طبق الباحثون نظام بصريات تكيفي لتعويض التشوهات البصرية بدقة. يشتمل هذا النظام على مرايا قابلة للتشوه – لها شكل سطح عاكس يمكن التحكم فيه – لتصحيح التشوهات في الليزر بدقة وتوليد شعاع بواجهة موجة يتم التحكم فيها جيدًا. ثم استخدموا مرآة كبيرة خارج المحور لتحقيق تركيز محكم للغاية. تتطلب هذه العملية معالجة دقيقة لنظام التركيز البصري.

غرفة تفاعل مادة الليزر لتسريع البروتون ، حيث تزيد الكثافة البؤرية عن 10²³ ث / سم² تم توضيحه من خلال التركيز الشديد لشعاع ليزر متعدد بيتاوات مع مرآة مكافئة خارج المحور F / 1.1. الائتمان: تشانغ هي نام

“لقد أتاحت لنا سنوات خبرتنا المكتسبة أثناء تطوير الليزر عالي الطاقة إنجاز المهمة الهائلة المتمثلة في تركيز ليزر PW بحجم شعاع يبلغ 28 سم على بقعة ميكرومتر لإنجاز كثافة ليزر تتجاوز 10²³ ث / سم²قال نام.

دراسة العمليات عالية الطاقة

يستخدم الباحثون هذه النبضات عالية الكثافة لإنتاج إلكترونات بطاقة تزيد عن 1 جيجا إلكترون فولت (109 إلكترون فولت) وللعمل في النظام غير الخطي حيث يصطدم إلكترون واحد بعدة مئات من فوتونات الليزر في وقت واحد. هذه العملية هي نوع من الديناميكا الكهربائية الكمية ذات المجال القوي تسمى تشتت كومبتون اللاخطي ، والتي يُعتقد أنها تساهم في توليد أشعة كونية نشطة للغاية.

سوف يستخدمون أيضًا ضغط الإشعاع الناتج عن الليزر عالي الكثافة لتسريع البروتونات. يمكن أن يساعد فهم كيفية حدوث هذه العملية في تطوير مصدر بروتون جديد قائم على الليزر لعلاجات السرطان. يتم إنشاء المصادر المستخدمة في العلاج الإشعاعي اليوم باستخدام مسرّع يتطلب درعًا إشعاعيًا ضخمًا. من المتوقع أن يقلل مصدر البروتون الذي يعمل بالليزر من تكلفة النظام ، مما يجعل آلة علاج الأورام بالبروتون أقل تكلفة وبالتالي يمكن الوصول إليها على نطاق واسع للمرضى.

يواصل الباحثون تطوير أفكار جديدة لتعزيز كثافة الليزر بشكل أكبر دون زيادة كبيرة في حجم نظام الليزر. تتمثل إحدى طرق تحقيق ذلك في اكتشاف طريقة جديدة لتقليل مدة نبضة الليزر. نظرًا لأن أشعة الليزر ذات القدرة القصوى التي تتراوح من 1 إلى 10 PW قيد التشغيل الآن ويتم التخطيط للعديد من المرافق التي تصل إلى 100 PW ، فلا شك في أن الفيزياء عالية الكثافة ستتقدم بشكل هائل في المستقبل القريب.

المرجع: “تحقيق شدة الليزر فوق 10²³ ث / سم²“بقلم JW Yoon و YG Kim و IW Choi و JH Sung و HW Lee و SK Lee و CH Nam في 6 مايو 2021 ، بصري.
DOI: 10.1364 /بصريات.420520