Forskare vid University of Oxford har avslöjat en banbrytande metod för att fånga hela strukturen av Ultra - intensiva laserpulser i en enda mätning. Genombrottet, publicerat i nära samarbete med Ludwig - Maximilian University of Munich och Max Planck Institute for Quantum Optics, kunde revolutionera vår förmåga att kontrollera ljus - materia -interaktioner.
Detta skulle ha transformativa tillämpningar inom många områden, inklusive forskning om nya former av fysik och förverkliga de extrema intensiteter som krävs för fusionsenergiforskning. Resultaten har publicerats iNaturfotonik.
Ultra - Intensiva lasrar kan påskynda elektroner till nära - ljushastigheter inom en enda svängning (eller 'vågcykel') i det elektriska fältet, vilket gör dem till ett kraftfullt verktyg för att studera extrem fysik. Emellertid gör deras snabba fluktuationer och komplexa strukturer verkliga - tidsmätningar av deras egenskaper utmanande.
Fram till nu krävde befintliga tekniker vanligtvis hundratals laserbilder för att montera en fullständig bild, vilket begränsar vår förmåga att fånga den dynamiska naturen hos dessa extrema ljuspulser.
Den nya studien, gemensamt under ledning av forskare vid University of Oxfords avdelning för fysik och Ludwig - Maximilian University of München, Tyskland, beskriver en ny singel - skjutdiagnostisk teknik, namngivna raven (Real - Time Acquisition of Vectorial Electrometic Denna metod gör det möjligt för forskare att mäta fullform, timing och justering av individuella ultra - intensiva laserpulser med hög precision.
Att ha en fullständig bild av laserpulsens beteende kan revolutionera prestationsvinster i många områden. Till exempel kan det göra det möjligt för forskare att fina - melodi -lasersystem i verkliga - tid (även för lasrar som bara ibland) och överbrygga klyftan mellan experimentella verklighet och teoretiska modeller, vilket ger bättre data för datormodeller och AI -} kraftfulla simuleringar.
Metoden fungerar genom att dela laserstrålen i två delar. En av dessa används för att mäta hur laserens färg (våglängd) förändras över tid, medan den andra delen passerar genom ett dubbelbrytande material (som skiljer ljus med olika polarisationstillstånd). En mikrolensuppsättning (ett rutnät med små linser) registrerar sedan hur laserpulsen vågfront (form och riktning) är strukturerad.
Informationen registreras av en specialiserad optisk sensor, som fångar den i en enda bild från vilken ett datorprogram rekonstruerar laserpulsens fulla struktur.
Lead researcher Sunny Howard (Ph.D. researcher in the Department of Physics, University of Oxford and visiting scientist to Ludwig-Maximilian University of Munich) said, "Our approach enables, for the first time, the complete capture of an ultra-intense laser pulse in real-time, including its polarization state and complex internal structure.
"Detta ger inte bara enastående insikt i laser - Matter -interaktioner utan banar också vägen för att optimera hög - Power Laser Systems på ett sätt som tidigare var omöjligt."
Tekniken testades framgångsrikt på Atlas - 3000 Petawatt - klassslaser i Tyskland, där det avslöjade små snedvridningar och vågförändringar i laserpulsen som tidigare var omöjliga att mäta i verklig - tid, vilket tillåter att forskningsteamet skulle uppfylla instrumentet.
Dessa distorsioner, kända som Spatio - Temporala kopplingar, kan påverka prestandan för hög - intensitetslaserexperiment.
Genom att tillhandahålla verklig - tidsåterkoppling möjliggör Raven omedelbara justeringar, förbättring av noggrannheten och effektiviteten i experiment i plasmafysik, partikelacceleration och hög - energitäthetsvetenskap. Det resulterar också i betydande tidsbesparingar, eftersom flera bilder inte krävs för att helt karakterisera laserpulsen.
Tekniken ger också en potentiell ny väg för att förverkliga tröghetsfusionsenergi -enheter i laboratoriet - ett viktigt gateway -steg mot att generera fusionsenergi i en skala som är tillräcklig för kraftsamhällen. Inertial Fusion Energy Devices använder Ultra - Intensiva laserpulser för att generera mycket energiska partiklar i en plasma, som sedan förökas in i fusionsbränslet.
Detta "hjälpvärme" -koncept kräver exakt kunskap om den fokuserade laserpulsintensiteten för att rikta in för att optimera fusionsutbytet, en som nu tillhandahålls av Raven. Fokuserade lasrar kan också tillhandahålla en kraftfull sond för ny fysik - till exempel, generera foton - fotonspridning i ett vakuum genom att rikta två pulser på varandra.
CO - Författarprofessor Peter Norreys (Institutionen för fysik, University of Oxford), säger: "Där de flesta befintliga metoder skulle kräva hundratals bilder, uppnår korpet ett komplett spatio. Ultra - Intensiva laserapplikationer, lovar att driva gränserna för laservetenskap och teknik.
Co-author Dr. Andreas Döpp (Faculty of Physics, Ludwig-Maximilians-University Munich and visiting scientist to Atomic and Laser Physics, University of Oxford) adds, "Shortly after Sunny joined us in Munich for a year it finally 'clicked' and we realized the beautiful result underpinning RAVEN: that because Ultra - Intensiva pulser är begränsade till ett så litet utrymme och tid när det är fokuserat finns det grundläggande gränser för hur mycket upplösning som faktiskt behövs för att utföra denna typ av diagnostik.
"Detta var ett spel - växlare och innebar att vi kunde använda mikrolenser, vilket gjorde vår installation mycket enklare."
Framöver hoppas forskarna att utvidga användningen av Raven till ett bredare utbud av laseranläggningar och utforska dess potential för att optimera tröghetsfusionsenergiforskning, laser - driven partikelacceleratorer och hög - fältkvantumelektrodynamikexperiment.
