Forskare vid Oxfords universitet har presenterat en banbrytande metod för att fånga hela strukturen hos ultraintense laserpulser i en enda mätning. Genombrottet, som publicerats i nära samarbete med Ludwig-Maximilian-universitetet i München och Max Planck-institutet för kvantoptik, kan revolutionera vår förmåga att kontrollera växelverkan mellan ljus och materia.
Detta skulle kunna få omvälvande tillämpningar inom många områden, bland annat forskning om nya former av fysik och förverkligandet av de extrema intensiteter som krävs för forskning om fusionsenergi. Resultaten har publicerats i Nature Photonics.
Ultraintensiva lasrar kan accelerera elektroner till nära ljusets hastighet inom en enda svängning (eller ”vågcykel”) av det elektriska fältet, vilket gör dem till ett kraftfullt verktyg för att studera extrem fysik. Deras snabba fluktuationer och komplexa struktur gör det dock svårt att mäta deras egenskaper i realtid.
Hittills har befintliga tekniker vanligtvis krävt hundratals laserskott för att få en fullständig bild, vilket har begränsat vår förmåga att fånga den dynamiska naturen hos dessa extrema ljuspulser.
Den nya studien, som leds gemensamt av forskare vid Oxfords universitets fysikavdelning och Ludwig-Maximilian-universitetet i München, Tyskland, beskriver en ny diagnostisk teknik med en enda skott, kallad RAVEN (Real-time Acquisition of Vectorial Electromagnetic Near-fields). Denna metod gör det möjligt för forskare att mäta den fullständiga formen, tidpunkten och inriktningen av enskilda ultraintensiva laserpulser med hög precision.
Att ha en fullständig bild av laserpulsens beteende kan revolutionera prestandaförbättringar inom många områden. Det kan till exempel göra det möjligt för forskare att finjustera lasersystem i realtid (även för lasrar som bara avfyras sporadiskt) och överbrygga klyftan mellan experimentell verklighet och teoretiska modeller, vilket ger bättre data för datormodeller och AI-drivna simuleringar.
Källa: Ehsan Faridi.
Metoden fungerar genom att dela upp laserstrålen i två delar. Den ena delen används för att mäta hur laserstrålens färg (våglängd) förändras över tid, medan den andra delen passerar genom ett dubbelbrytande material (som separerar ljus med olika polarisationstillstånd). En mikrolinsmatris (ett rutnät av små linser) registrerar sedan hur laserpulsens 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 fullständiga struktur.
Huvudforskaren Sunny Howard (doktorand vid institutionen för fysik, Oxfords universitet, och gästforskare vid Ludwig-Maximilian-universitetet i München) säger: ”Vår metod gör det för första gången möjligt att i realtid fånga en ultraintenst laserpuls i sin helhet, inklusive dess polarisationstillstånd och komplexa interna struktur.
Detta ger inte bara helt nya insikter om växelverkan mellan laser och materia, utan banar också väg för optimering av hög effektlasersystem på ett sätt som tidigare var omöjligt.”
Tekniken testades framgångsrikt på petawattlasern ATLAS-3000 i Tyskland, där den avslöjade små distorsioner och vågförskjutningar i laserpulsen som tidigare var omöjliga att mäta i realtid, vilket gjorde det möjligt för forskarteamet att finjustera instrumentet.
Dessa distorsioner, som kallas rumsliga-temporala kopplingar, kan påverka prestandan hos högintensiva laserexperiment avsevärt.
Genom att tillhandahålla feedback i realtid möjliggör RAVEN omedelbara justeringar, vilket förbättrar noggrannheten och effektiviteten hos experiment inom plasmafysik, partikelacceleration och högenergitäthetsvetenskap. Det resulterar också i betydande tidsbesparingar, eftersom det inte krävs flera skott för att fullständigt karakterisera laserpulsens egenskaper.
Källa: Nate Blackthorn.
Tekniken erbjuder också en potentiell ny väg för att realisera tröghetsfusionsenergianordningar i laboratoriet – ett viktigt steg mot att generera fusionsenergi i en skala som är tillräcklig för att driva samhällen. Tröghetsfusionsenergianordningar använder ultraintense laserpulser för att generera högenergipartiklar i ett plasma, som sedan sprids till fusionsbränslet.
Detta koncept med ”hjälpuppvärmning” kräver exakt kunskap om den fokuserade laserpulsintensiteten för att optimera fusionsutbytet, vilket nu tillhandahålls av RAVEN. Fokuserade lasrar kan också utgöra en kraftfull sond för ny fysik – till exempel genom att generera foton-foton-spridning i vakuum genom att rikta två pulser mot varandra.
Medförfattaren professor Peter Norreys (fysikavdelningen, Oxfords universitet) säger: ”Där de flesta befintliga metoder skulle kräva hundratals skott, uppnår RAVEN en fullständig rumslig och tidsmässig karakterisering av en laserpulser på bara ett. Detta ger inte bara ett kraftfullt nytt verktyg för laserdagnostik, utan har också potential att påskynda framstegen inom ett brett spektrum av ultraintensiva lasertillämpningar, vilket lovar att flytta gränserna för laserforskning och -teknik.
Medförfattaren Dr Andreas Döpp (Fysikfakulteten, Ludwig-Maximilians-Universität München och gästforskare vid Atomic and Laser Physics, University of Oxford) tillägger ”Kort efter att Sunny kom till oss i München för ett år sedan klickade det äntligen och vi insåg det fantastiska resultatet som ligger till grund för RAVEN: eftersom ultraintensta pulser är begränsade till ett så litet utrymme och en så kort tid när de fokuseras, finns det grundläggande begränsningar för hur hög upplösning som faktiskt behövs för att utföra denna typ av diagnostik.
”Detta var en game changer och innebar att vi kunde använda mikrolinser, vilket gjorde vår uppställning mycket enklare.”
Framöver hoppas forskarna kunna utvidga användningen av RAVEN till ett bredare spektrum av laseranläggningar och utforska dess potential för att optimera forskning om tröghetsfusion, laserdrivna partikelacceleratorer och högfältsexperiment inom kvantelektrodynamik.
Mer information: Single-Shot Spatio-Temporal Vector Field Measurements of Petawatt Laser Pulses, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01698-x
