Forskere ved University of Oxford har afsløret en banebrydende metode til at fange den fulde struktur af ultra - intense laserpulser i en enkelt måling. Gennembrudet, der blev offentliggjort i tæt samarbejde med Ludwig - Maximilian University of München og Max Planck Institute for Quantum Optics, kunne revolutionere vores evne til at kontrollere lys - Matter -interaktioner.
Dette ville have transformative applikationer på mange områder, herunder forskning i nye former for fysik og realisere de ekstreme intensiteter, der kræves til fusionsenergiforskning. Resultaterne er blevet offentliggjort iNaturfotonik.
Ultra - Intense lasere kan fremskynde elektroner til nær - lyshastigheder inden for en enkelt svingning (eller 'bølgecyklus') på det elektriske felt, hvilket gør dem til et kraftfuldt værktøj til at studere ekstrem fysik. Imidlertid gør deres hurtige udsving og komplekse struktur reelle - tidsmålinger af deres egenskaber udfordrende.
Indtil nu krævede eksisterende teknikker typisk hundreder af laserskud for at samle et komplet billede, hvilket begrænser vores evne til at fange den dynamiske karakter af disse ekstreme lysimpulser.
Den nye undersøgelse, der blev ledet af forskere ved University of Oxford's Department of Physics and the Ludwig - Maximilian University of München, Tyskland, beskriver en ny single - skudt diagnostisk teknik, navngivet ravn (real - tid erhvervelse af Vectorial Electromagnetic Near {- fields). Denne metode giver forskere mulighed for at måle fuld form, timing og justering af individuelle ultra - intense laserimpulser med høj præcision.
At have et komplet billede af laserpulsens opførsel kunne revolutionere præstationsgevinster på mange områder. For eksempel kan det gøre det muligt for forskere at bøde - melodi lasersystemer i reelle - tid (selv for lasere, der kun ild lejlighedsvis) og bro mellem den eksperimentelle virkelighed og teoretiske modeller, hvilket giver bedre data for computermodeller og AI - drevne simuleringer.
Metoden fungerer ved at opdele laserstrålen i to dele. Den ene af disse bruges til at måle, hvordan laserens farve (bølgelængde) ændres over tid, mens den anden del passerer gennem et birefringent materiale (som adskiller lys med forskellige polariseringstilstande). En mikrolensarray (et gitter af små linser) registrerer derefter, hvordan laserpulsens bølgefront (form og retning) er struktureret.
Oplysningerne registreres af en specialiseret optisk sensor, der fanger dem i et enkelt billede, hvorfra et computerprogram rekonstruerer den fulde struktur af laserpulsen.
Lead -forsker Sunny Howard (Ph.D. -forsker ved Institut for Fysik, University of Oxford og besøgende videnskabsmand til Ludwig - Maximilian University of München) sagde: "Vores tilgang muliggør for første gang den komplette indfangning af en ultra - intens laserpulse i reel - tid, inklusive dens polarisering.
"Dette giver ikke kun hidtil uset indsigt i laser - stofinteraktioner, men baner også vejen for at optimere høj - strømlasersystemer på en måde, der tidligere var umulig."
Teknikken blev testet med succes på Atlas - 3000 Petawatt - klasselaser i Tyskland, hvor det afslørede små forvrængninger og bølgeforskydninger i laserpulsen, der tidligere var umulig at måle i reel - tid, hvilket gjorde det muligt for forskningsteamet for at finjustere instrumentet.
Disse forvrængninger, kendt som spatio - temporale koblinger, kan væsentligt påvirke ydelsen af høje - intensitetslasereksperimenter.
Ved at tilvejebringe reelle - Time -feedback giver Raven mulighed for øjeblikkelige justeringer, forbedring af nøjagtigheden og effektiviteten af eksperimenter i plasmafysik, partikelacceleration og høj - energitæthedsvidenskab. Det resulterer også i betydelige tidsbesparelser, da flere skud ikke er påkrævet for fuldt ud at karakterisere laserpulsens egenskaber.
Teknikken giver også en potentiel ny rute til at realisere inertial fusionsenergi -enheder i laboratoriet - Et nøgleportstrin mod generering af fusionsenergi i en skala, der er tilstrækkelig til magtsamfund. Inertielle fusionsenergi -enheder bruger ultra - intense laserpulser til at generere stærkt energiske partikler i et plasma, der derefter forplantes i fusionsbrændstof.
Dette "hjælpeopvarmning" -koncept kræver nøjagtig viden om den fokuserede laserpulsintensitet for at målrette mod at optimere fusionsudbyttet, en nu leveret af Raven. Fokuserede lasere kunne også tilvejebringe en kraftig sonde til ny fysik - for eksempel at generere foton - fotonspredning i et vakuum ved at dirigere to pulser mod hinanden.
CO - Forfatterprofessor Peter Norreys (Institut for Fysik, University of Oxford), siger: "Hvor de fleste eksisterende metoder kræver hundreder af skud, opnår Raven et komplet spatio - Temporal karakterisering af en laserpuls i kun et. Ultra - Intense laserapplikationer, der lovede at skubbe grænserne for laservidenskab og teknologi.
Co - forfatter Dr. Andreas Döpp (fakultet for fysik, ludwig - Maximilians - Universitet München og besøgende videnskabsmand til atomisk og laserfysik, University of Oxford) tilføjer: "kort efter, at Sunny sluttede os i Munich for et år, det endelig 'klikkede' og vi fastede det smukke resultat underpining: at dette ravne: at dette Fordi ultra - intense pulser er begrænset til en så lille plads og tid, når de fokuseres, er der grundlæggende grænser for, hvor meget opløsning der faktisk er behov for for at udføre denne type diagnosticering.
"Dette var et spil - skifter, og betød, at vi kunne bruge mikrolenser, hvilket gjorde vores opsætning meget enklere."
Når man ser fremad, håber forskerne at udvide brugen af Raven til en bredere vifte af laserfaciliteter og udforske dets potentiale til at optimere inertial fusionsenergiforskning, laser - drevne partikelacceleratorer og høje - feltkvantelektrodynamiske eksperimenter.
