相干諧波聚焦(CHF)的產(chǎn)生。激光聚焦于靶上，反射的紫色光束形成強度極高的CHF，從而由光產(chǎn)生物質(zhì)。

一支國際物理學(xué)家團隊首次展示了一條大幅提升高功率激光強度的實用路徑。該項成果發(fā)表于《自然》，創(chuàng)造出實驗室有史以來最強的光，從而通過讓光與量子真空直接相互作用，開啟探索物理學(xué)基本規(guī)律的實驗之門。

該工作由牛津大學(xué)的Peter Norreys教授和Robin Timmis博士領(lǐng)導(dǎo)，并與貝爾法斯特女王大學(xué)的Brendan Dromey教授、Mark Yeung博士以及英國科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會下屬中央激光設(shè)施的科學(xué)家緊密合作完成。

研究團隊利用中央激光設(shè)施的“雙子座”激光器，通過一種非同尋常的過程產(chǎn)生了極亮的紫外光。簡單來說，他們向一團帶電粒子(等離子體)發(fā)射強激光，使其表現(xiàn)得像一面高速運動的“鏡子”。這好比用手電筒照向一面正以極快速度朝你沖來的鏡子，反射回來的光會被壓縮并變得能量更高——就像救護車疾馳而過時警笛聲調(diào)會升高一樣。

Robin Timmis博士在操作OHREX光譜儀

在這項實驗中，這面“鏡子”的運動速度極快，以至于愛因斯坦的相對論開始發(fā)揮作用，將光提升至更高能量。這一效應(yīng)被稱為相對論諧波產(chǎn)生。研究團隊還展示了一種進一步會聚這種光的方法，他們稱之為相干諧波聚焦。

打個比方，就像用放大鏡將陽光聚焦到一個小點上，其強度足以點燃紙張。在這里，替代陽光的是多種不同顏色(波長)的激光，它們被匯聚并聚焦到一個極小的區(qū)域，形成巨大的能量集中。

這一進步最終可能使科學(xué)家能夠探索物理學(xué)最極端的前沿領(lǐng)域之一：光與物質(zhì)在最基本層面上的相互作用，這由量子電動力學(xué)理論描述。

迄今為止，該領(lǐng)域的實驗需要將高能粒子束撞擊強激光，然后在不同參考系之間小心翼翼地轉(zhuǎn)換結(jié)果——有點像試圖通過切換多個運動中的攝像機來理解一場車禍。

相互作用期間的真空腔體

而這種新方法避開了這一復(fù)雜性。因為一切都在激光系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生，科學(xué)家可以直接觀測結(jié)果，無需進行復(fù)雜的逐幀變換。這應(yīng)該會使未來的實驗解讀變得容易得多。

該項研究在2024年和2025年開展，涉及廣泛的國際合作，包括AWE公司Ed Gumbrell博士團隊、美國密歇根大學(xué)超快光學(xué)中心的Karl Krushelnick教授課題組，以及德國耶拿大學(xué)Matt Zepf教授的高場物理與激光加速研究組。該工作部分源自羅賓·蒂米斯博士的博士論文研究，并得到了牛津高能量密度科學(xué)中心和牛津-伯曼物理學(xué)獎學(xué)金計劃的共同資助，直至她于2024年提交論文答辯。

第一作者、牛津大學(xué)物理系的Robin Timmis博士說：“迄今我們所取得的發(fā)現(xiàn)令人著迷，對于理解這一機制豐富而復(fù)雜的物理內(nèi)涵，我們感覺才剛剛起步。模擬結(jié)果顯示，我們可能已經(jīng)制造出了迄今最強的相干光源。我希望我們很快有機會重返‘雙子座’進行確認，并將所學(xué)帶到更大的裝置上，以產(chǎn)生更亮的光?！?/p>

實驗團隊成員在雙子座激光靶區(qū)

資深作者、牛津大學(xué)物理系的Peter Norreys教授說：“我們非常激動能在實驗室里實現(xiàn)這一非凡成果。這是羅賓對這一課題精湛掌握的明證，她獲得了我們數(shù)十年來苦苦追求而未能得到的精確實驗條件。這也真正體現(xiàn)了牛津團隊其他成員、貝爾法斯特女王大學(xué)Brendan Dromey和Mark Yeung團隊(尤其是Jonny Kennedy、Holly Huddleston和Colm Fitzpatrick)、盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實驗室中央激光設(shè)施的科學(xué)家們、Aldermaston的AWE公司，以及我們尊敬的國際合作伙伴所傾注的奉獻與專業(yè)精神?！?/p>

合著者、貝爾法斯特女王大學(xué)的Brendan Dromey教授評論道：“這項工作融合了激光技術(shù)、等離子體物理和超快材料科學(xué)，經(jīng)過精細調(diào)諧，解決了理論與實驗之間長期存在的不匹配問題——這一失配已困擾該領(lǐng)域二十余年?！?br />
審核編輯 黃宇