近日，科学家们在联合研究中使用计算机模拟来展示一种压缩光的新方法，以充分增加光的强度，从而从真空中提取粒子并研究物质的本质。

为了实现这一目标，这三个研究小组联合起来制造了一种非常特殊的镜子——这种镜子不仅能反射光脉冲，还能将光脉冲在时间上压缩200倍以上，而且还可能进一步压缩。

来自斯特拉斯克莱德大学、UNIST和GIST的研究小组提出了一个简单的想法——利用等离子体（完全电离的物质）密度的梯度，使光子“聚集”起来，类似于一组伸展开来的汽车在遇到陡峭的山坡时聚集起来的方式。这可能会彻底改变下一代激光器，使其功率比现在可实现的功率增加100多万倍。

这种在等离子体中压缩激光脉冲的新方法发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。

世界上功率最高的激光器的峰值功率约为10拍瓦。在此背景下，173拍瓦（173×10¹⁵ W）的阳光到达地球的高层大气，其中约三分之一到达地球表面。一拍瓦是10¹⁵瓦，一埃瓦是10¹⁸ 瓦，一泽瓦是10²¹ 瓦。太阳产生4x1026瓦的电力或40万泽瓦。

高功率激光器产生的光脉冲的持续时间非常短，通常是几个飞秒（1飞秒＝10^－15 秒），这是通过一种叫做啁啾脉冲放大（CPA）的技术实现的。CPA涉及脉冲压缩，主要是将激光脉冲能量集中在短时间内，从而将其峰值功率提高许多个数量级。

斯特拉斯克莱德大学物理系的Dino Jaroszynski教授说：“一个重要而基本的问题是，当光强度超过地球上常见的水平时会发生什么。高功率激光使科学家能够回答关于物质和真空本质的基本问题，并探索所谓的强度边界。”

“将太瓦到拍瓦的激光应用于物质，使下一代激光等离子体加速器的发展成为可能，这种加速器比传统加速器小数千倍。为科学家提供新工具正在改变科学研究的方式。我们已经在斯特拉斯克莱德大学建立了苏格兰等离子体加速器应用中心（SCAPA），以推动基于高功率激光器的应用。”

UNIST的Min Sip Hur教授表示：“这项研究的结果预计将适用于各个领域，包括高级理论物理学和天体物理学。它还可以用于激光聚变研究，以帮助解决人类面临的能源问题。我们的韩国和英国联合团队计划在实验室对这些想法进行实验验证。”

GIST的Hyyong Suk教授表示：“等离子体可以在CPA系统中发挥与传统衍射光栅类似的作用，但它是一种不会被破坏的材料。因此，它将通过包含一个非常简单的附加组件来增强传统的CPA技术。即使等离子体只有几厘米大小，它也可以用于峰值功率超过1亿瓦的激光器。”

十亿瓦和泽瓦确实已经是很高的功率了，但通过简单地使用透镜或曲面镜将激光脉冲聚焦到一个小点上，以集中其能量，其强度可以大大增加。与在时间上将激光脉冲压缩到较短的持续时间类似，同样的事情也可以在空间上将脉冲压缩到空间上，即将其聚焦到一个小点上。所以压缩，在空间或时间上，以一种非常普遍的方式，允许激光脉冲强度的增加。空间压缩可以很容易地测试，使用透镜将阳光聚焦在一张纸上；它会自燃。

物质随着强度的增加而发生各种变化。例如，可见光波长的空气电离强度超过10¹⁰－10¹² W／cm²，当电子受到强度超过1018 W／cm²的激光时，它们接近光速，这导致了相对论光学的领域。

在1024 W／cm²及以上的强度下，质子接近光速，经历强激光场的粒子与自身的辐射场发生反应，这是当前物理学中的强度前沿。在1029 W／cm²以上的强度，即众所周知的Schwinger极限，粒子直接由真空光产生，可以直接转化为物质。这需要艾瓦到齐瓦的激光。

在1024 W／cm²以上的强度下，理解物质和真空的本质是现代物理学的突出挑战之一。高功率激光还可以在实验室中对天体物理现象进行研究，提供对恒星内部和宇宙起源的独特视角。