記録破りの高エネルギーレーザーパルスを使用して、実験室で天体物理学を研究することができます

研究者らは、韓国基礎科学研究所の相対性レーザー科学センター（CoReLS）のペタワットレーザーを使用して、1023 W / cm2を超える記録的な高レーザーパルス強度を実証しました。 このレーザー強度に到達するのに10年以上かかりました。これは、2004年にミシガン大学のチームが設定した記録の10倍です。 これらの超高強度の光パルスにより、人々はこれまで不可能だった方法で、光と物質の間の複雑な相互作用を探求することができます。

この強力なレーザーは、ギガ（1015）電子ボルト（eV）を超えるエネルギーを持つ高出力宇宙線として知られる現象を研究するために使用できます。科学者はこれらの光線が私たちの太陽系の外のどこかから来ることを知っていますが、それらがどのように生成され、何がそれらを作るのかは長期的な謎でした。

「CoReLSの所長で光州工業大学の教授であるチャン・ヒナム氏は、次のように述べています。「この高強度レーザーにより、電子光子や光子散乱などの天体物理学を研究室で研究できるようになります。 「これを使用して、理論的なアイデアを実験的にテストして取得できます。その一部は、ほぼ1世紀前に最初に提案されました。」

オプティカルソサエティ（OSA）の影響力の大きい研究ジャーナルであるOpticaで、研究者はCoReLSレーザーのレーザーパルス強度を高めるための長年の研究の結果について報告しました。レーザー材料の相互作用を研究するには、厳密に集束されたレーザーが必要です。研究者は、レーザーパルスを、人間の髪の毛の直径の5分の1未満である1マイクロメートルをわずかに超えるスポットサイズに集束させることができます。新しい記録破りのレーザー強度は、太陽から地球へのすべての光を10ミクロンのスポットに集束させることに相当します。



この新しい成果は、以前の研究を拡張したものです。研究者は、1ミクロンポイントに焦点を合わせながら、20フェムト秒未満の持続時間で4ペタワット（PW）パルスを生成できるTi：Sapphireベースのフェムト秒レーザーシステムを実証しました。この種のレーザーは2017年に報告されており、わずか20兆分の1秒のレーザーパルスで生成される電力は、地球上のすべての電気の約1,000倍です。

ターゲット上で高強度のレーザーパルスを生成するには、生成された光パルスを非常に厳密に集束させる必要があります。この新しい研究では、研究者は補償光学システムを適用して、光学歪みを正確に補正しました。このシステムには、レーザーの歪みを正確に補正し、非常によく制御された波面を持つビームを生成するための制御可能なリフレクター形状を持つ変形可能なミラーが含まれます。次に、大きな軸外し放物面鏡を使用して、非常にタイトな焦点を実現しました。このプロセスでは、集束光学システムを細かく処理する必要があります。



研究者は、これらの高強度パルスを使用して、1 GeV（109 eV）を超えるエネルギーの電子を生成し、1つの電子が同時に数百のレーザー光子と衝突する非線形システムで作業しています。このプロセスは、非線形コンプトン散乱と呼ばれる一種の強磁場量子電気力学であり、超高エネルギー宇宙線の生成に寄与すると考えられています。

彼らはまた、陽子を加速するために超高強度レーザーによって生成された放射圧を使用します。このプロセスがどのように発生するかを理解することは、癌治療のための新しいレーザーベースの陽子源の開発に役立ちます。今日の放射線治療で使用される線源は、加速器を使用して生成され、巨大な放射線遮蔽を必要とします。レーザー駆動陽子源は、システムのコストを削減し、したがって患者により広く受け入れられるようになることが期待されています。

研究者は、レーザーシステムのサイズを大幅に増やすことなく、レーザー強度をさらに高めるための新しいアイデアを開発し続けています。この目標を達成する1つの方法は、レーザーパルス時間を短縮する新しい方法を見つけることです。現在、ピーク出力が1〜10PWのレーザーが使用されており、100PWまでの施設がいくつか計画されているため、近い将来、高強度物理学が大きく進歩することは間違いありません。