研究人員利用韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所相對論激光科學(xué)中心（CoReLS）的petawatt激光器，展示了超過10*23 W/cm2的創(chuàng)紀(jì)錄的高激光脈沖強度。達(dá)到這個激光強度花了十多年的時間，是密歇根大學(xué)的一個團(tuán)隊在2004年所創(chuàng)下紀(jì)錄的十倍。這些超高強度的光脈沖將使人們能夠以以前不可能的方式探索光和物質(zhì)之間的復(fù)雜相互作用。

這個強大的激光器可以用來研究被認(rèn)為是高功率宇宙射線的現(xiàn)象，這些射線的能量超過千兆（10*15）電子伏特（eV）。盡管科學(xué)家們知道這些射線來自我們太陽系之外的某個地方，但它們是如何產(chǎn)生的以及是什么在形成它們一直是一個長期的謎。

"CoReLS主任、光州科技學(xué)院教授Chang Hee Nam說："這種高強度的激光器將使我們能夠在實驗室里研究天體物理現(xiàn)象，如電子-光子和光子散射。"我們可以用它來實驗測試和獲取理論觀點，其中一些觀點是在近一個世紀(jì)前首次提出的。"

在光學(xué)學(xué)會（OSA）的高影響研究雜志《Optica》上，研究人員報告了多年來提高CoReLS激光器的激光脈沖強度的工作成果。研究激光的物質(zhì)相互作用需要一束緊密聚焦的激光，研究人員能夠?qū)⒓す饷}沖聚焦到剛剛超過一微米的光斑大小，不到人類頭發(fā)直徑的五十分之一。新的破紀(jì)錄的激光強度相當(dāng)于將所有從太陽到達(dá)地球的光線聚焦到一個10微米的光斑。

這項新成就擴(kuò)展了之前的工作，研究人員展示了一個基于Ti:Sapphire的飛秒激光系統(tǒng)，它能產(chǎn)生持續(xù)時間不到20飛秒的4 petawatt（PW）脈沖，同時聚焦到一個1微米的點上。這種激光器在2017年被報道，在一個僅持續(xù)二十萬億分之一秒的激光脈沖中產(chǎn)生的功率大約是地球上所有電力的1000倍。

為了在目標(biāo)上產(chǎn)生高強度的激光脈沖，產(chǎn)生的光脈沖必須被極度緊密地聚焦。在這項新工作中，研究人員應(yīng)用一個自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來精確補償光學(xué)失真。這個系統(tǒng)涉及到可變形的鏡子，它具有可控制的反射面形狀來精確地糾正激光器的失真，并產(chǎn)生一個具有非常好的控制波前的光束。然后，他們使用一個大的離軸拋物面鏡來實現(xiàn)一個極其緊密的焦點。這一過程需要對聚焦光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)處理。

研究人員正在利用這些高強度的脈沖產(chǎn)生能量超過1 GeV（109 eV）的電子，并在非線性體系中工作，其中一個電子與幾百個激光光子同時碰撞。這個過程是一種被稱為非線性康普頓散射的強場量子電動力學(xué)，它被認(rèn)為有助于極高能量宇宙射線的產(chǎn)生。

他們還將利用超高強度激光產(chǎn)生的輻射壓力來加速質(zhì)子。了解這一過程是如何發(fā)生的，可以幫助開發(fā)一種新的基于激光的質(zhì)子源用于癌癥治療。今天的輻射治療中使用的源是使用加速器產(chǎn)生的，需要一個巨大的輻射防護(hù)罩。激光驅(qū)動的質(zhì)子源有望降低系統(tǒng)成本，從而更廣泛地為患者所接受。

研究人員繼續(xù)開發(fā)新的想法，以便在不大幅增加激光系統(tǒng)尺寸的情況下更多地增強激光強度。實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是找出一種減少激光脈沖時間的新方法。由于峰值功率從1到10PW的激光器現(xiàn)在已經(jīng)投入使用，并且有幾個達(dá)到100PW的設(shè)施正在計劃中，毫無疑問，高強度物理學(xué)將在不久的將來取得巨大的進(jìn)展。