2026-06-12 18:02:00 行业资讯 7
光源，激光光源，相干连续光源， 在现代物理学的前沿，科学家们一直在寻求突破功率密度的极限，以窥探物质与空间最深层、最隐秘的奥秘。以往的研究通常需要让高能粒子束与强激光对撞，再在不同参照系之间艰难地转换观测结果，这就像在多个移动的摄像头之间来回切换去还原一场碰撞，不仅异常复杂，而且极易引入误差。近日，由牛津大学、贝尔法斯特女王大学及英国科学技术设施委员会（STFC）等多家顶尖科研机构组成的国际团队，在激光科学领域取得了里程碑式的进展：他们首次展示了一种实用途径，能够显著提升高功率激光的强度，有望在实验室内创造出迄今最强烈的蓝光，从而开启一扇无需繁杂坐标变换、直接窥探光与量子真空相互作用的新窗口。相关研究成果发表于Nature。
在现代物理学的前沿，科学家们一直在寻求突破功率密度的极限，以窥探物质与空间最深层、最隐秘的奥秘。以往的研究通常需要让高能粒子束与强激光对撞，再在不同参照系之间艰难地转换观测结果，这就像在多个移动的摄像头之间来回切换去还原一场碰撞，不仅异常复杂，而且极易引入误差。近日，由牛津大学、贝尔法斯特女王大学及英国科学技术设施委员会（STFC）等多家顶尖科研机构组成的国际团队，在激光科学领域取得了里程碑式的进展：他们首次展示了一种实用途径，能够显著提升高功率激光的强度，有望在实验室内创造出迄今最强烈的蓝光，从而开启一扇无需繁杂坐标变换、直接窥探光与量子真空相互作用的新窗口。相关研究成果发表于Nature。
相对论等离子镜：让光在多普勒效应中“飙升”
该研究由牛津大学的Peter Norreys 教授和Robin Timmis 博士领导，与贝尔法斯特女王大学的Brendan Dromey 教授、Mark Yeung 博士，以及英国科学技术设施委员会（STFC）中央激光设施（CLF）的科学家们紧密合作完成。
利用CLF 的“双子座”激光器，该团队通过一种非同寻常的过程产生了极高亮度的紫外光。简而言之，他们将强激光脉冲射入带电粒子云（等离子体）中，使其表现得如同一面快速移动的镜子。
这就像用手电筒照射一面正以极高速度迎面冲来的镜子。反射光会被压缩，从而获得更高的能量，这与救护车疾驰而过时警笛声调变高的原理（多普勒效应）相似。
在此情形下，这面“镜子”运动速度极快，以至于爱因斯坦的相对论效应开始显现，将光推至更高的能量水平。这种效应被称为“相对论谐波产生”。此外，团队还展示了一种进一步会聚这种光的方法，名为“相干谐波聚焦”。这好比用放大镜把阳光汇聚到一个足以点燃纸张的微小焦点上，只不过，这里汇聚的不是阳光，而是将许多不同颜色（即不同波长）的激光融合并聚焦到极微小的区域，从而产生巨大的能量密度。
直接而生动的突破：在激光系统内创造“最强烈相干光”
这一进展让科学家得以探索物理学中最极端的领域之一：光与物质在最基本层面的相互作用——这正是量子电动力学（QED）理论所描述的领域。
在此之前，这类实验须将高能粒子束轰击向强激光，再费心地将结果在不同的参照系间来回转换，这有点像试图通过切换多个移动摄像头的画面来理解一场车祸。
而新方法则完全避开了这一复杂性：所有过程都在激光系统内部发生，科学家可直接观察结果，无需进行复杂的逐帧坐标系转换。这将使未来的实验结果更易于解读。下图展示了相互作用过程中的真空腔室：一束相对论强度的激光脉冲聚焦于玻璃靶，产生绿色发光的等离子体，以及一束紫色谐波光束，其中携带的极端相干光场可用于量子真空实验研究。
相互作用过程中的真空腔室
图源：Timmis 等， 2026
该研究于2024 年至 2025 年间开展，涉及广泛的国际合作，参与成员包括：英国AWE plc的Ed Gumbrell 博士团队、美国密歇根大学超快光学中心Karl Krushelnick 教授课题组，以及德国耶拿大学高场物理与激光加速研究组的Matt Zepf 教授。
这项工作的核心内容源自Robin Timmis 博士的博士论文研究。在 2024 年提交论文评审前，该研究获得了牛津高能量密度科学中心与牛津大学伯曼物理学奖学金计划的共同资助。
论文第一作者、牛津大学物理系的Robin Timmis 博士表示：“我们目前的发现令人振奋，对于理解这一机制背后丰富而复杂的物理，我们还只是初窥门径。模拟结果显示，我们可能创造了有史以来最强烈的相干光源。我希望尽快重返‘双子座’激光器开展实验，并将这些经验应用于更大型的设施，以产生更强的光。”
极紫外敏感相机拍摄的原始图像。激光与等离子体相互作用产生的强辐射被分解为不同的频率成分，激光脉冲的每一阶谐波在探测器上均呈现为一条单独的亮线。
图源：Timmis 等，2026
论文通讯作者、牛津大学物理系的Peter Norreys 教授表示：“能在实验室实现这一非凡成果，我们感到无比激动。这证明了Robin对该领域的卓越驾驭能力，她成功获得了数十年来一直难以实现的精确实验条件。同时，这也要归功于我的牛津团队其他成员、贝尔法斯特女王大学Brendan Dromey和Mark Yeung的团队（特别是Jonny Kennedy、Holly Huddleston和Colm Fitzpatrick）、拉瑟福德·阿普尔顿实验室（RAL）的中央激光设施科学家、阿尔德马斯顿的AWE plc，以及我们尊敬的国际合作伙伴，感谢大家所倾注的专业精神与奉献。”
共同作者、贝尔法斯特女王大学的Brendan Dromey 教授评论道：“这项工作融合了激光技术、等离子体物理和超快材料科学，通过精密调整，解决了困扰该领域二十余年的理论与实验之间长期失配的问题。
参考文献： 中国光学期刊网
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