迈向强大的激光,以探索一种新型的物理学

在刊登于最近的《应用物理快报》杂志封面的一篇论文中,一个由著名科学家组成的国际研究团队,展示了一种创新技术,极大地提高了激光强度(www.qmsh.net)。这种基于光脉冲压缩的创新技术将有可能达到一种新型物理学——量子电动力学现象的极限。

在这个国际研究团队中,包括著名法国物理学家、2018年诺贝尔物理学奖获得者、热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou),他发明了一种称为啁啾脉波放大的科技,其后来被用来制成超短与超强(拍瓦)的激光脉波。

啁啾脉冲放大(英語:Chirped Pulse Amplification, 缩写:CPA),是一种将超短激光脉冲放大到皮瓦(petawatts,10的15次方W)级的技术,CPA是当今世界上大多数功率最高的激光器使用的最新技术。

光脉冲越短,所包含频率的频谱越宽,这是由于光脉冲描述为波包。该激光脉冲在时间和光谱上会被拉伸,然后被放大,然后再次压缩。通过这样的拉伸和压缩可确保脉冲的不同颜色分量传播不同的距离。

在这个国际研究团队中,还包括俄罗斯科学院应用物理研究所的(Applied Physics of the Russian Academy of Sciences)卡扎诺夫(E. A. Khazanov)、加拿大科学院(Institut National de la Recherche Scientifique,简称:INRS)的让·克洛德·基弗(Jean-Claude Kieffer)等。

研究团队选择了另外一个方向来实现高达约10的23次方瓦(W)的功率,没有增加激光的能量,而是将脉冲持续时间减少到仅几飞秒。这将使系统保持在合理的规模内,并降低运营成本。

为了产生尽可能短的脉冲,研究人员利用非线性光学的影响。基弗教授解释说:“激光束通过极薄且完全均匀的玻璃片板发出。这种固体介质中的特定波的特性使光谱变宽,并在片板出口处重新压缩时脉冲更短。”

在加拿大科学院的高级激光光源(Advanced Laser Light Source,简称ALLS)设施中,研究团队将能量限制在3焦耳的水平上,以获取10飞秒的脉冲,即300太瓦(terawatts,10的12次方W)。他们计划在5飞秒内以13焦耳的能量或3皮瓦(petawatts,10的15次方W)的强度重复该实验。基弗教授说:“这是世界上第一个使用如此短脉冲的激光来达到这种功率水平。”

诺贝尔奖获得者、热拉尔·穆鲁教授评价说:“这是一项非常出色的工作,这将发挥这项技术的最大潜力。”

基弗教授说:“获得如此极短的脉冲,我们将进入相对论的问题级别。这是一个非常有趣的方向,有可能将科学界带入新的视野。”

这种基于光脉冲压缩的方法将有可能达到一种从未有过探索的新型物理学的极限强度:量子电动力学现象。量子电动力学是电动力学的相对论性量子场论。它在本质上描述了光与物质间的相互作用,而且它还是第一个将量子力学与狭义相对论结合、同时完全符合的理论。所以,著名物理学家费曼把它誉为“物理学的瑰宝”("the jewel of physics"),原因是它能为相关的物理量提供极度精确的预测值。

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