PPPL为科罗拉多州立大学先进激光器和极端光子学实验室进行的高密度、激光产生的等离子体物理研究提供关键的诊断。信用: Bill Cotton/科罗拉多州立大学摄影

科学家们利用一种常见的天气预报技术来了解强大的激光如何将大块的固体材料变成被称为等离子体的带电粒子的汤。

在新的背景下使用这种久经考验的技术可以帮助研究人员在惯性约束核聚变装置中进行重要的测量，这是一种正在探索的利用核聚变能源的概念。这一过程为太阳和恒星提供动力，可以成为在地球上创造电力的一种绿色方式，而不会产生温室气体或长期的放射性废物。

来自普林斯顿大学管理的美国能源部（DOE）国家实验室PPPL的科学家们测量了强激光撞击固体目标所产生的密集的等离子体云。强烈的热量导致表面的原子蒸发并发出高能的X射线。

该测量利用多普勒效应测量了光的速度--与导致救护车警报器在接近时音调升高，然后在远离时音调降低的现象相同。气象学家依靠这种效应来测量雷暴的速度。

物理学家想要更好地了解密集等离子体，部分原因是它是由惯性约束核聚变装置产生的--像美国能源部在劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的国家点火设施，去年产生的核聚变能量比加热等离子体的能量还要多。物理学家越能理解由此产生的致密等离子体的行为，其密度是圆环形磁托卡马克内等离子体的100亿倍，他们就越有可能更有效地创造聚变。

科学家们发现有证据表明在密集等离子体云的外层和内层之间存在着一个屏障，或称鞘。这一观察表明，激光产生的致密等离子体的行为与较不致密的等离子体相似。这一发现标志着科学家首次使用这种多普勒技术来测量非常密集的等离子体。该实验是利用科罗拉多州立大学的先进激光器用于极端光子学（ALEPH）设施进行的。

物理评论快报》上一篇报告该结果的论文的主要作者Frances Kraus报告说，结果显示密集等离子体的行为很像其他类型的等离子体，直到现在科学家们还无法直接观察到这种行为。

在这一发现之前，研究人员不知道他们是否能够在密集的等离子体中精确地测量X射线，这可能会掩盖这种观察。"克劳斯说："科学家们不相信你能在所有其他信号中挑出X射线行为。"但是我们的诊断表明，你可以。"

发明于1960年的激光器被用于广泛的任务，包括手术、焊接和印刷。激光--这个术语代表着 "受激辐射的光放大"--由所有具有相同频率的光束组成。此外，构成激光的光子粒子都以相同的方向和方位行进。随着激光变得越来越强大，人们越来越需要了解它们的基本特征。

"克劳斯说："你必须了解这些激光器创造了什么，然后你才能找到它们的用途。"这是基本的东西。这些超级强大的激光器在未来会有很多应用。我们只是还不知道它们会是什么。"

更多信息

B. F. Kraus et al, Ablating Ion Velocity Distributions in Short-Pulse-Heated Solids via X-Ray Doppler Shifts, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.235001