선바이페이, 지량량, 장샤오메이, 부즈강, 쉬지앤차이
1. 상해사범대학 수리학원
2. 중국과학원 상해광학정밀기계연구소 강한 레이서 물리 국가 중점 심헐실
머리말: 상관관계 X선, 특히 X선 자유전자기술의 발전은 초강력 광장을 발생시키는 새로운 통로를 제공한다. 높은 광자 에너지, 피크 출력 밀도와 초단도 펄스 길이 때문에 강장 레이저 물리를 가시광선 주파수에서 X선 파단으로 밀어낼 수 있을 것으로 기대된다. 현재 X선에 기초한 비선형 원자분자 물리는 초기 진전이 이루어졌으며 X선 빛이 강해지면서 상호작용이 상대성 물리, quantum electrodynamics(QED) 물리 등의 영역에 들어가 레이저 구동 가속과 방사선, QED 진공, 암흑물질의 발생과 탐사 등 새로운 과학적 발견의 기회를 얻게 된다.
본문은 강장 X선 레이저의 고체 중의 미장 가속도, 진공 극화, 축의 발생과 탐사 등의 방면에 대해 소개하고 X선 주파수 강장의 물리가 몇몇 기초 전초와 핵심 응용 방면에서 갖는 독특한 이점을 천명하며 미래의 발전 방향을 전망하기 위한 것이다.
키워드: X선 레이저 및 탐사, 강장 레이저 물리, 입자 가속 및 복사, QED 물리, 암물질 탐지
가시광선 영역에서 Strickland와 Mourou가 1985년에 고안한 啁啾 펄스 증폭 기술(chirped pulse amplification, CPA)은 대량의 에너지가 eV급인 광자를 비행초까지 시간 척도로 압축하여 레이저의 초점 강도를 상대성 이론 수준(광강성>1018 W/cm2)으로 추진하였다. 한편 타지마와 다우슨은 강력한 레이저와 플라즈마 상호작용을 기반으로 입자가 가속화되는 새로운 영역을 개척해 강력한 레이저가 피크 밝기 초쾌속 2차 복사원, 강장 물리 기초 전방에 연구된다는 장점도 발견되고 있다. 이러한 과학적 목표에 의해 지난 20년 동안 전세계적으로 수많은 박와급(1 PW = 1015 W) 레이저 장치가 세워졌고 10박자와 레이저 장치도 점차 작동하기 시작했으며 백박자와급의 초강력 레이저에 대한 계획과 건설이 진행되었다.
그러나 광학 기물에 손상 임계값이 존재하기 때문에 흔히 기물의 크기를 증가시켜 피크 출력을 높일 수 밖에 없으며 이는 정밀 광학 가공, 크기 확대 매개체 제조 등의 기술에 큰 도전을 가져왔다. 기존의 레이저 재료와 기술 경로는 아이바급(1 EW = 1018 W)의 피크 출력을 지탱하기 어려울 수 있어 강력한 레이저 물리 연구의 지속 가능한 발전에 영향을 주었다. 코어 빔 기술을 이용해도 기술 난이도를 제외하면 총 광학구경 크기가 줄어들기 어렵다. 기존 광학 방법의 한계를 뛰어넘기 위해 플라스마를 매개체로 하는 방법도 제시됐다. 예를 들어 가스 플라스마에서 피격 라만 삼량 과정을 통해 에너지가 큰 에너지, 긴 펄스의 펌프에서 짧은 펄스 신호 광으로 전달되어 후자를 눈에 띄게 증폭시킬 수 있다. 플라즈마 광책을 채택하면 압축 펄스의 광강역치 요구사항도 현저히 완화될 것으로 기대된다. 또 강력한 레이저로 구동되는 플라스마 플라스마 비경을 이용해 강력한 광장과 선형으로 짹짹거리는 강력한 레이저를 만들어낼 수도 있다. 플라즈마 광학 방법의 개념은 매우 참신하지만 그 기술의 난이도가 매우 높아 실현을 위해 아직 진일보한 연구가 필요하다.
최근 자유 전자 레이저 원리에 기초한 X선 펄스의 밝기가 크게 높아져 현재 피크 광력은 1021 W/cm2까지 강해진다. 프리-이렉트론-레이저(FEL)는 고에너지 전자빔을 주기파탕기에 주입해 전자빔을 종방향으로 빔을 맞춰 고도로 피폭을 조작해 광자 에너지가 현재 수십 keV에 이른다. 이 같은 단파장이나 초고봉의 밝기 상관광원은 극한의 강점을 낳는 데 큰 잠재력을 갖고 있다. 다음의 정격률로부터 간단히 추산할 수 있다. 주어진 총 에너지 E의 대응 총 광자 수는 E/(hv)이고 그중 v는 광자 주파수이고 h는 플랑크 상수이다.
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