新方法能大幅提升高功率激光光强

英国牛津大学领导的国际研究团队首次找到一种切实可行的方法，可大幅提升高功率激光的光强，为在实验室造出更强光源提供了新路径。相关成果发表于最近出版的《自然》杂志。

相干谐波聚焦（CHF）的产生示意图。激光被聚焦到靶材上，反射形成的紫色光束在空间中进一步汇聚，形成强度极高的相干谐波聚焦，可在极端条件下触发由光产生物质的过程。图像由实验拍摄结果与艺术示意合成。图片来源：《自然》杂志

研究团队利用英国中央激光设施（CLF）的Gemini激光系统，将强激光照射到等离子体中，创造出一种类似“高速运动镜子”的效应：当强激光照射到等离子体时，这些带电粒子在极端条件下会表现得像一面以接近光速运动的反射面。激光在其表面反射后，波长被压缩、频率升高，从而获得更高能量。这一过程类似于高速驶来的声源会使声调升高，但由于“镜子”运动速度极高，需要用相对论加以描述，因此被称为“相对论谐波产生”。

在此基础上，团队进一步提出并验证了一种“相干谐波聚焦”方法，即将由上述过程产生的多种波长激光在空间中重新汇聚，并同步聚焦到极小区域，从而使不同“颜色”的光叠加，形成极高的能量密度。其效果类似于用放大镜将阳光聚焦到一点，但在这里，被聚焦的是经过增强的多频激光，使光强达到前所未有的水平。

这一进展有望使科学家能够探索物理学中最极端的前沿领域之一，也就是光和物质如何在最基本的层面上相互作用，这可用量子电动力学理论来描述。在这一尺度下，真空不再是“空无一物”，而是充满可被强光场激发的量子涨落。

数值模拟结果显示，这一机制可能已经产生了迄今最强的相干光源。如果未来能在更大规模的激光装置上进一步验证并拓展，该方法有望实现更高强度的光，为研究极端光—物质相互作用提供全新工具。