我们离伽马射线激光器还有多远？

自20世纪60年代发明激光器以来，科学家们一直在努力提高其峰值功率，并开发出以越来越短的波长发射相干光的设备。这些进步旨在提高图像分辨率，促进对量子核状态的探索。

在峰值功率方面已经取得了进展，最显著的是罗切斯特大学的研究人员在20世纪80年代发明了啁啾脉冲放大技术，相关的研究人员凭借这一突破在2018年获得了诺贝尔物理学奖。然而，开发能产生伽马射线等超高能量光的激光器仍然遥遥无期。

这部分是因为“相干”光波彼此同步，结合在一起会产生更强的效果。这种效果在光子能量较高时更难实现。虽然激光现在可以在电磁波谱的可见光、紫外线和X射线范围内产生相干光，但要在X射线范围之外也就是存在伽马射线的地方产生相干光，仍然是一个挑战。

为了克服这一障碍，罗切斯特大学的研究人员获得了美国国家科学基金会的资助，与捷克超强激光光束线中心（ELI Beamlines）合作，研究密集电子束与强激光场碰撞时发出的辐射相干特性。在此过程中，研究人员旨在了解如何产生相干伽马射线，并将这些新的辐射源用于研究和应用，以制造反物质、研究核过程，以及对密集物体或材料（如扫描运输集装箱）进行成像。

罗切斯特大学物理学教授、该校激光能学实验室杰出科学家Antonino Di Piazza说：制造相干伽马射线的能力将是一场创造新型光源的科学革命，就像发现和开发可见光和X射线源改变了我们对原子世界的基本认识一样。

目前的研究重点是克服在产生相干伽马射线方面的挑战，这是实现成像和材料研究领域革命性应用的关键一步

美欧合作促进激光科学进步
该项目将罗切斯特科学家的理论专长与ELI Beamlines的理论和实验能力相结合，加强了美国和欧洲在高强度激光领域的合作联系。科学家们将利用复杂的理论和高科技实验，来研究快速运动的电子是如何与激光相互作用而发出高能量光的。

他们将首先研究比较简单的情况，如一个或两个电子如何发光，然后再研究有许多电子的比较复杂的情况，以产生相干的伽马射线。这一成果建立在已经产生相干X射线的科学家们的工作基础之上，其中包括SLAC国家加速器实验室、欧洲XFEL和SACLA的团队。

Di Piazza说：我们并不是第一个尝试用这种方法制造伽马射线的科学家。但我们使用的是完全量子理论——量子电动力学，这是解决这一问题的先进方法。如果这个项目取得成功，就能制造出不含伽马射线的电子激光器，这是科学界的一个主要目标。当然，第一步是在建造这样的设备之前证明科学是可行的。

这项工作还将有助于为未来可能在罗切斯特大学建立的国家科学基金会OPAL高功率激光用户设施提供科学依据，这是国家科学基金会资助的另一个项目，Di Piazza是该项目的共同首席研究员，该设施有可能成为全球科学界独一无二的开放式资源。

国家科学基金会OPAL项目是国家科学基金会X-lites项目的一部分，X-lites是一个研究极端光的强度、时间和空间的国际网络，旨在解决激光与物质在最短距离、最高强度和最快时间内发生相干相互作用的前沿问题。