Des impulsions laser record permettent d’étudier les phénomènes astrophysiques en laboratoire

Les chercheurs ont démontré une intensité d’impulsion laser élevée standard de plus de 10²³ W / cm² Utilisation des lasers Betawatt au Center for Relative Laser Science (CoReLS), Institut des sciences fondamentales de la République de Corée. Il a fallu plus d’une décennie pour atteindre cette densité laser, dix fois supérieure à ce qu’une équipe de l’Université du Michigan rapportait en 2004. Ces impulsions lumineuses de haute intensité permettront d’explorer les interactions complexes entre la lumière et la matière d’une manière qui ne l’était pas. possible avant.

Le puissant laser peut être utilisé pour examiner les phénomènes considérés comme responsables des rayons cosmiques de haute énergie, qui ont des énergies supérieures à un quadrillion (1015) d’électrons volts (eV). Bien que les scientifiques sachent que ces rayons proviennent de quelque part en dehors de notre système solaire, la façon dont ils sont fabriqués et de quoi ils sont faits est resté un ancien mystère.

«Ce laser à haute intensité nous permettra d’examiner des phénomènes astrophysiques tels que la diffusion d’électrons, de photons et de photons en laboratoire», a déclaré Chang Hee Nam, directeur CoReLS et professeur à l’Institut des sciences et technologies de Gwangju. « Nous pouvons l’utiliser pour tester et atteindre expérimentalement des idées théoriques, dont certaines ont été proposées pour la première fois il y a près d’un siècle. »

à VisuelC’est le Journal of the Optical Association (OSA) pour la recherche à fort impact, les chercheurs ont présenté les résultats d’années de travail pour augmenter l’intensité des impulsions laser des lasers CoReLS. L’étude des interactions des matériaux laser nécessite un faisceau laser hautement focalisé, et les chercheurs ont pu focaliser les impulsions laser sur une taille de point d’un peu plus d’un micron, moins d’un demi-diamètre du diamètre d’un cheveu humain. La nouvelle intensité laser record peut être comparée à la concentration de toute la lumière atteignant la Terre depuis le Soleil jusqu’à un point de 10 microns.

Les chercheurs ont créé des impulsions de haute intensité à l’aide d’un laser betawatt (photo) au Center for Relative Laser Science (CoReLS) en République de Corée. Ce laser à haute intensité permettra aux scientifiques d’examiner des phénomènes astrophysiques tels que la diffusion d’électrons, de photons et de photons en laboratoire. Crédit: Chang Hee Nam, CoReLS

« Ce laser à haute intensité nous permettra d’aborder des sciences nouvelles et stimulantes, en particulier l’électrodynamique des champs quantiques puissants, qui a été principalement traitée par les théoriciens », a déclaré Nam. « En plus de nous aider à mieux comprendre les phénomènes astrophysiques, il peut également fournir les informations nécessaires pour développer de nouvelles sources pour un type de radiothérapie qui utilise des protons à haute énergie pour traiter le cancer. »

Augmenter la densité des impulsions

La nouvelle percée s’étend aux travaux précédents dans lesquels les chercheurs ont démontré un système laser femtoseconde, basé sur Ti: Sapphire, qui produit 4 impulsions petawatt (PW) avec des périodes de moins de 20 femtosecondes avec un focus sur un spot de 1 μm. Ce laser, rapporté en 2017, a produit environ 1000 fois plus d’énergie que toute l’énergie électrique sur Terre dans une impulsion laser d’une durée de seulement vingt parties par millionième de seconde.

Pour produire des impulsions laser de haute intensité sur une cible, les impulsions lumineuses générées doivent être focalisées très étroitement. Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont appliqué un système d’optique adaptative pour compenser précisément les distorsions optiques. Ce système comprend des miroirs déformables – qui ont une forme de surface réfléchissante contrôlable – pour corriger avec précision les distorsions du laser et générer un faisceau avec un front d’onde bien contrôlé. Ensuite, ils ont utilisé un grand miroir hors axe pour obtenir une mise au point très précise. Ce processus nécessite une manipulation soigneuse du système de focalisation optique.

La chambre de réaction du matériau laser à accélération de protons, où la densité focale est supérieure à 10²³ W / cm² Il est démontré par la focalisation intense d’un faisceau laser multi-bitow avec un miroir parabolique hors axe F / 1.1. Crédits: Zhang Hee Nam

«Nos années d’expérience acquises lors du développement de lasers haute puissance nous ont permis d’accomplir la tâche énorme de focaliser un laser PW avec une taille de faisceau de 28 cm sur un spot micrométrique pour atteindre une densité laser supérieure à 10²³ W / cm²Il s’est endormi.

Etudier les procédés à haute énergie

Les chercheurs utilisent ces impulsions de haute intensité pour produire des électrons d’une énergie supérieure à 1 GeV (109 MeV) et pour travailler dans un système non linéaire où un électron entre en collision avec plusieurs centaines de photons laser simultanément. Ce processus est un type d’électrodynamique quantique à champ fort appelé diffusion Compton non linéaire, qui contribuerait à la génération de rayons cosmiques hautement énergétiques.

Ils utiliseront également la pression de rayonnement du laser à haute intensité pour accélérer les protons. Comprendre comment ce processus se produit pourrait aider au développement d’une nouvelle source de protons à base de laser pour les traitements contre le cancer. Les sources utilisées aujourd’hui en radiothérapie sont créées avec un accélérateur qui nécessite un écran anti-rayonnement massif. La source de protons alimentée par laser devrait réduire le coût du système, rendant la machine de protonthérapie tumorale moins chère et donc largement accessible aux patients.

Les chercheurs continuent de développer de nouvelles idées pour améliorer encore la densité laser sans augmenter de manière significative la taille du système laser. Une façon d’y parvenir est de découvrir une nouvelle façon de réduire la durée de l’impulsion laser. Avec des lasers d’une puissance maximale allant de 1 à 10 PW actuellement en fonctionnement et des installations allant jusqu’à 100 PW sont prévues, il ne fait aucun doute que la physique de haute intensité progressera énormément dans un proche avenir.

Référence: « Atteindre une intensité laser supérieure à 10²³ W / cm²Par JW Yoon, YG Kim, IW Choi, JH Sung, HW Lee, SK Lee et CH Nam le 6 mai 2021, Visuel.
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