新方法提升激光脉冲强度，实现物质与真空研究的革命

英国和韩国科学家提出了一种新的激光脉冲制造方法，其威力超过现有技术1000倍以上，这可能会为下一代激光技术带来革命性的提升。

目录

1. 引言
2. 新方法的提出
3. 潜在应用
4. 实验计划
5. 理论意义
6. 强度前沿

引言

科学家们通过联合研究和计算机模拟，展示了一种新的光压缩方式，足以增加光的强度，并从真空中提取粒子来研究物质的本质。为此，来自斯特拉斯克莱德大学、UNIST和GIST的三个团队共同研制了一种特殊的镜子，它不仅能反射光脉冲，还能将其时间压缩超过200倍，未来还有可能实现更高程度的压缩。

等离子体中的脉冲压缩概念。来源：《自然-光子学》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41566-023-01321-x

新方法的提出

科学家们提出了一个简单的想法：利用等离子体密度的梯度，这是完全电离的物质，以引起光子“聚束”，类似于一群拉长的汽车遇到陡坡时的紧凑状态。这一发现有望使下一代激光器的功率比现在可实现的提高超过一百万倍。

潜在应用

这项研究的结果预计将在包括先进理论物理学和天体物理学在内的各个领域得到应用。它还可以用于激光聚变研究，帮助解决人类面临的能源问题。我们的韩国和英国团队计划在实验室内对这些想法进行实验测试。

实验计划

为了推动基于高功率激光的应用，我们在斯特拉斯克莱德大学设立了苏格兰等离子体加速器应用中心（SCAPA），提供了新的科学工具，改变了科学研究的方式。

理论意义

高功率激光让科学家能够回答关于物质和真空本质的基本问题，并探索所谓的强度前沿。高功率激光器在物质上的应用促进了下一代激光等离子体加速器的发展，这些加速器比传统加速器小数千倍。

强度前沿

随着强度的增加，物质经历了各种转变。例如，当可见光波长的强度超过10¹⁰—10¹² W/cm²时，空气会被电离；当电子受到超过10¹⁸ W/cm²的激光强度时，它们接近光速，这带入了相对论光学的领域。在10²⁴ W/cm²及以上的强度下，质子接近光速，粒子在强激光场中对自身辐射场的反应，这是当前物理学中的强度前沿。在被称为施温格极限（Schwinger limit）的10²⁹ W/cm²以上强度下，粒子可以直接从真空中产生——光可以直接转化为物质。这需要使用艾瓦特到泽塔瓦特级别的激光器。

参考资料

Min Sup Hur et al, Laser pulse compression by a density gradient plasma for exawatt to zettawatt lasers, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01321-x