第三节 激光研究的新成果
一、研发不同类型激光的新信息
（一）研发高速度激光的新进展
1．创造世界最快激光脉冲记录
2008年6月20日，德国马克斯·普朗克量子光学研究所一个研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们近日利用汉堡的自由电子激光装置，研制成功世界最快的阿秒级激光脉冲，其闪光时间仅为80阿秒（1阿秒为10-18秒），可被用于捕捉激光脉冲的影像及观察较大原子周围的电子运动。
从理论上说，脉冲的超短持续时间允许在阿秒甚至仄秒（1仄秒为10-21秒）的时间内观察粒子的活动与反应。在此次成果之前，世界最快速的超短光脉冲持续时间为130阿秒。虽只是由130阿秒变为80阿秒，却能将一直无法捕获的影像成像，实验证明其可成像2.5飞秒（1飞秒为10-15秒）的光脉冲。
如要达到肉眼可见，抽样的时间必须快于激光样本。研究人员将相对较慢的激光脉冲射入氖气体团，激光促动氖原子，以及紫外光短脉冲的形式释放出能量。而这些穿透脉冲的电子能量，即可形成激光束的侧面图像。
2．刷新世界最快激光脉冲记录
2010年5月，德国马克斯·玻恩非线性光学与短脉冲光谱学研究所科学家与奥地利同行组成的研究小组，在《自然·光子学》杂志上发表论文称，他们创造了出现时间仅为12阿秒的激光脉冲，打破了最短暂激光脉冲的世界纪录。
阿秒是微观世界的时间单位，相当于10-18秒。如果将100阿秒与1秒相比，相当于拿1分钟与整个宇宙的寿命140亿年相比。
为了创造更短暂的激光脉冲，科学家选用声光频率调节器从外部控制激光，这种方法的优点是不破坏激光的稳定性。
在摄影中，要捕捉快速移动物体的清晰图像，需尽可能缩短曝光时间。同理，科学家要捕捉原子内电子的运动，需要阿秒级人工可控的“曝光”能力。此前，科学家创造的最短暂激光脉冲持续约100阿秒。这一成果，将有助于科学家更精确观察原子内部的粒子运动。
（二）研发高亮度和高强度激光的新进展
1．高亮度激光研发的新成果
研发出亮度达目前最亮激光百倍的真空紫外激光。2011年1月，美国物理学家组织网报道，美国托马斯杰斐逊国家加速器实验室，自由电子激光部门副主任乔治·尼尔、自由电子激光装置研究项目主管管根·威廉姆斯等人组成的研究小组，制造出一种新式真空紫外激光，其亮度是目前最亮激光的100倍。
这种激光由该实验室的自由电子激光装置所产生，它能以光子形式发出真空紫外光，光子的能量为10电子伏特，波长为124纳米。之所以称其为真空紫外光，是因为它会被空气中的分子所吸收，需要在真空中使用。
尼尔说：“我们首次成功地发出10电子伏特的光子。使用杰斐逊实验室紫外线演示自由电子激光装置上的一个耦合输出镜子，我们把真空紫外线谐振光，发送到一个校准的真空紫外线光电二极管上，同时，我们测量出，每个微脉冲中的完全相干光的能量为5纳米焦耳。”
这项研究奇迹，将为许多以前无法进行的研究打开一扇大门。例如，这种自由电子激光可以用来测定物质的年龄，这些物质存在的时间可能超出了碳元素年代测定法可以测定的年代。放射性碳测定法，使科学家能估算很多年龄超过6.2万岁的物质年代。放射性氪测定法，使科学家能测定10万~100万年前的物质。现在，从自由电子激光器发出的这种10电子伏特的光，则可以产生亚稳定的氪原子。另外，这种方法有助于研究海洋环流模式，并且绘制出地下水的运动情况，同时测算极地冰的年代。
威廉姆斯表示：“这种新式激光，也是研发能源和环保领域新材料的一个完美工具，在开始这些运用之前，我们仍然还有很多工作要做。”并表示，将于2012年3月之前，再次把激光引入一个实验室中，进行测量和实验。
2．高强度激光研发的新成果
（1）研究发射高强度窄波段X射线激光束。2012年9月，美国能源部斯坦福直线加速器中心国家加速器实验室，物理学家黄志荣等人组成的研究小组，在《自然·光子学》杂志上发表研究成果称，他们采用金刚石细薄片，把直线加速器的相干光源转化为手术刀般更精确的工具，以探测纳米世界。改进后的激光脉冲，可在X射线波长更窄频带高强度聚焦，开展以前难以完成的实验。
这个过程被称为“自激注入”，金刚石把激光束过滤为单一的X射线颜色，然后把它放大。研究人员可以在原子水平研究物质、分子和化学反应的影像，而且操作能力更强，传送的影像也更加清晰。
人们谈论“自激注入”已经10多年了，直到2010年斯坦福线性加速器中心成立时，才由欧洲自由电子激光器和德国电子加速器研究中心的研究人员提出，并由来自斯坦福线性加速器中心和阿贡国家实验室的工程队将其建立起来。“自激注入”可潜在地产生更高强度的X射线脉冲，显著高于目前直线加速器相干光源的性能。每个脉冲增加的强度，可以用来深入探测复杂的材料，以帮助解答诸如高温超导体等特殊物质，或拓扑绝缘体中复杂电子态等问题。
直线加速器相干光源，通过接近光速的电子群加速激光束，用一系列磁体将其设定为“之”字路径。这将迫使电子发射X射线，聚集成亮度超过此前10亿倍的激光脉冲。如果没有“自激注入”，这些X射线激光脉冲包含的波长（或颜色）范围比较宽，无法被所有的实验使用。此前在直线加速器相干光源创造更窄波段（即更精确波段）的方法，则会导致大量的强度损失。
研究人员在可产生X射线的130米长磁体的中间段，安装了一片金刚石晶体，由此创建了一个精确的X射线波段，并且使直线加速器相干光源更像是“激光”。
黄志荣说：“如果我们完成系统的优化，并添加更多的波荡，所产生的脉冲集中的强度将达10倍之多。”目前，世界各地的相关实验室已经趋之若鹜，纷纷计划把这一重要进展，与自身的X射线激光设施结合在一起。
（2）采用“以退为进”提高激光器光强度。2014年10月17日，物理学家组织网报道，美国华盛顿大学电子系统工程系教授杨兰主持，五名成员来自美国、日本和澳大利亚的一个研究小组，在当天出版的《科学》杂志上发表研究成果称，为了克服激光器系统能量损失，他们最近研究出一种新方法，它不是常见的用超量光子或光束来刺激系统以获取所需能量，而是通过给激光器系统增加一些“损失”来收获能量。换句话说就是，他们已经发明了一种“以退为进”的妙招。
报道称，该研究小组是通过三个实验总结出这一新妙招的。在第一个实验中，他们通过改变对两个微型谐振器的距离改变其匹配状态，对其中一个采用“一给命令就消失”的可控操作。在第二个实验中，通过变化损失量，他们能操控匹配状态并测算出两个谐振器之间的光强度，结果，令人吃惊地发现，当能量损失增加的时候，两个谐振器的总强度先是上升然后又有所下降，但最终重新显现出了较高的光强度。在第三个实验中，他们通过在二氧化硅中增加损失量，获得了两个非线性现象。
杨兰说：“光强度在光学系统中是一个非常重要的参量。不同于给系统增加更多能量的标准方法，我们反其道而行之，通过调节损失量来获取更有效的能量。”
实验系统包括两个微小的直接匹配的二氧化硅谐振器，每一个都配备了不同的熔锥光纤连接器，能将光线从一个激光发射器的二极管引导到感光探测器；光纤逐渐变窄，确保光线在光纤和谐振器的正中间。杨兰说，这个构想可以在任何配对物理系统中应用。
关键器件是一种叫作“铬涂层二氧化硅纳米锥”的微型装置，能让其中一个微型谐振器产生光强损失。这个微型装置被放置在调控范围只有20纳米的极微小的光泄漏区域中。研究人员说，用铬来做涂层，是因为它是一种能大量吸收1550纳米波长的材料，而且能很好地对它调控“损失”程度。另一种关键装备，是“纳米定位器”，能通过调节距离来控制配对谐振器之间的长度。
“损失获能”现象具有“例外点”的特征，这种特征对系统特性影响甚大。在近些年的物理学研究中，“例外点”贡献了一系列“反常”的表现和结果。研究人员说，当调试系统达到“例外点”，基于光强度的非线性过程都受到了影响。
杨兰指出：“这项研究的有利于之处在于，通常来讲，‘损失’被认为是不好的，但是我们把它变成了好的进而扭转了坏的影响，我们用激光器实现了这一点。”他们的研究成果，除了对激光器技术发展有所裨益，在其他物理学领域，比如光子晶体表现、电浆子结构和超材料等研究领域中，也会激发针对“损失”效果的新研究计划。
（三）研发其他类型激光的新进展
1．研发能直接移动目标物体的牵引激光
2014年11月12日，物理学家组织网报道，澳大利亚一个研究团队在最近一期的《自然·光子学》杂志上发表研究成果称，他们创造出一种牵引激光束，既能把目标物体推出去，又能将它拉回来，推拉的距离比所有其他方式要远得多。
牵引激光束作为激光束的一种，由一个用来控制或转移其他物体的源头发出。在现实生活中，物理学家虽然已经开始了牵引光束的研究，但到目前为止，整个物体的捕获或者移动程度都非常微小，直线移动距离也很短。
在这个新的尝试中，研究人员用了一种区别以往的技术来移动一个目标物，而这个目标物更大一些，移动的距离也更远一些，大概是已有能移动距离的100倍。
据报道，新的牵引激光束是激光器发出的一种热环状光束，打在一个表面镀金的微小玻璃珠上，这颗珠子的直径只有0.2毫米，这个尺寸与激光束的冷心内径正好相匹配。环形光束的热度会使玻璃球表面温度升高，进而构造了一个热点区。当热点区开始与空气粒子相接触，空气粒子会被反拨，从而对玻璃球起到了一个相反的作用力将它推远，最远距离甚至达到20厘米。
研究人员还发现，他们可以调整激光偏振进而改变玻璃球热点区，最终能改变玻璃球的运动。这意味着，玻璃球能被推远，被停止，被拉回来，或者被控制在原地。
研究团队认为，这种牵引激光束因为具有多功能性，且只需要一个单独的光束来源，因此在实际中会很有用，比如可以用它除去空气中的污染物，或者从样本材料中抽除不需要的颗粒。他们还特别提出，如果实验室规模扩大，该牵引激光束取得的成果将会更加丰富。
2．通过水与光相互作用首次开发出“水-波激光”
2016年11月29日，以色列理工学院当天发布公告称，该校机械工程学院光子力学中心主任塔尔·卡蒙领导的研究团队，上周在《自然·光学》杂志上发表论文称，他们首次通过实验证明，水与光相互作用也能发出激光，即“水—波激光”，从而在之前被认为毫无关联的两个研究领域间构建起“桥梁”。这种全新的“水—波激光”可用来研制包含光波、声波和水波的微型传感器，或制作微流体“芯片实验室”装置，用于细胞生物学研究和检测新药。
普通激光的形成过程是，原子内电子吸收外来能量后被激活，以激光形式发出辐射。而以色列研究团队首次证明，水波在液体装置内振动也能产生激光辐射。研究人员表示，水—波激光为科学研究开创了一个全新研究平台，未来可在不到一根头发宽的尺度上，研究光与流体之间的相互作用。
卡蒙解释道，之前从未证明光与水相互作用可产生激光的主要原因是，液体表面的水波振动频率不到每秒1000次，而光波振动频率更高，每秒能振动1014次，频率差异导致光波和水波之间的能量传递效率不高，从而无法产生激光辐射。
为克服能量传递效率低的问题，研究人员创建了一种装置，可通过光纤将光传给辛烷（每个分子含8个碳原子的烷烃，76号汽油主要成分）和水形成的微小液滴。在这个装置内，光波和水波通过液滴时会发生百万次“相遇”，累积的能量让液滴辐射出水—波激光。
研究人员表示，光纤内光与液滴表面微小振动间的相互作用类似共鸣，就像声波与其通过的表面发生共鸣后发出多次回响一样。为了增加这种共鸣效应，他们特意选择了高度透明的液体，以强化光与液滴之间的相互作用。更重要的是，水滴比现有激光材料在软度上具有无可比拟的优势，只需施加微小光压，液滴变形程度就能比普通光子力学装置大数百万倍，因此能对激光发射量和激光强度进行更有效的控制。
二、探索激光特性与功能的新信息
（一）研究激光特性的新发现
1．证实激光束拥有一定作用力
2013年8月，英国罗切斯特大学，物理学家尼克·瓦米瓦克斯教授和他的同事，以及研究生莱维·尼克奇等人组成的一个研究小组，在《光学快报》上发表研究报告称，他们为了证实激光束拥有一定作用力，开展了一项实验：运用激光推力，让一颗微型钻石悬浮在半空之中。
据报道，在此之前，研究人员便已经使用激光实现让单个原子悬浮的实验操作，但这次是第一次研究人员能够运用这项技术让一颗纳米钻石悬浮起来。本次实验中被悬浮起来的纳米钻石，直径大约100纳米，相当于人类指甲厚度的1/1000。
在这项最新的研究中，研究小组利用了这样一个原理，即激光束会产生一个力，尽管它非常小，一般感觉不到。
瓦米瓦克斯表示：“如果我们打开电灯或是打开门，我们能感受到光线。尽管我们能感受到光照，然而我们并无法感觉到光在我们身上施加的压力。”他说：“但如果你把光线聚集成光束照，射到一个非常小的区域上，事实上它就可以对极其微小的物体产生一种推力。”
为了让这种显微物体悬浮起来，研究小组在一个洁净的真空管内，相向布置两道激光，并使用气溶胶布撒器将纳米钻石撒入真空管。这些纳米钻石被吸引向激光束移动，其中一部分最终被稳定地悬浮在了半空中。
有时候，这种悬浮能在数分钟内达成；有时候，这种悬浮的达成则需要更长得多的时间。尼克奇表示：“有时候，我需要在这里等待超过半小时，才会看到钻石被成功悬浮起来。而一旦钻石被成功悬浮，我们就能让它们在半空中稳定悬浮超过数小时。”
研究小组希望，他们这项成果将有助于量子计算，或者从理论上有益于对极微小尺度上摩擦力作用方式的研究。瓦米瓦克斯表示：“悬浮的钻石颗粒，对其所处的受力环境非常敏感。这非常重要，因为随着试验的尺度越来越小，我们需要了解环境和实验体之间，将会发生何种相互作用？”
目前，研究小组正准备，开展进一步的实验研究，以便更好地理解晶体的物理特性，这将帮助回答物理学中的一些基本问题。
2．发现螺旋涡流形激光可携带和传输更多信息
2016年8月，美国布法罗大学工程和应用科学学院助理教授冯亮等组成的研究团队，在《科学》杂志发表论文称，他们揭示了一种“螺旋涡流形激光”，这种激光能将信息编码成卷，因此能比传统激光更快速地传输更多信息。这一研究成果，有望使计算行业产生变革。
研究人员表示，科学家们可借助最新研究找到新方法，让计算机变得更小、更快、更廉价。冯亮表示：“为了耗费更少能量传输更多信息，我们需要重新思考机器内部的零件。”
数十年来，科学家们的解决办法，是把更多元件“塞”在一块硅基计算机芯片上，但现有方法面临一个“瓶颈”：近年来，由于已接近硅晶芯片原子极限，维持芯片行业50年的神话“摩尔定律”似乎就要失效。
研究人员提出了光通信技术等各种办法，来解决这一问题。光通信技术用光来携带信息，有各种各样光通信的例子：从古老的灯塔到现在的光纤光缆等，而激光处于目前光通信领域的核心位置。
科学家们一直在采用各种方式操控激光，最常见的是让不同信号以一个路径行进，以携带更多的信息，但目前，这些技术，尤其是波分复用技术和时分复用技术都达到了极限。
该研究团队另辟蹊径，使用轨道角动量这一光操作技术，来推动激光技术的发展。轨道角动量技术，让激光采用螺旋模式分布，中央有一个涡旋。尽管这一螺旋涡流形激光，对于现有电脑来说太大而无法工作，但研究人员能将其缩小到与计算机芯片兼容。由于激光束沿螺旋模式行进，能将信息编码成不同的涡流，因此，它能携带的信息量是线性移动的传统激光的10倍以上。涡流激光是许多设备，如先进的发射机和接收机的组件，对建造更强大的计算机和数据中心来说也不可或缺。
（二）研究激光功能的新发现
1．发现激光具有调节光子速度的功能
发现激光调节固态晶体材料可减慢光子运动速度。2006年4月21日，英国伦敦帝国学院克里斯·菲利普斯和同事们组成的研究小组，在埃克塞特大学凝聚态物理与材料物理学院召开的大会上报告研究成果称，他们发现了一种能够使光子运动速度减慢的新方法。
研究人员说，当光线穿过一种多层半导体超薄模式，光子运动速度减慢到只有以前的1/40。他们认为，这种半导体多层薄膜技术，可以最终使光子运动完全停顿下来。
研究人员表示，这项控制光子运动速度的技术，对利用光脉冲进行信息处理的应用很有好处，比传统硅芯片电子学的电流信号更好。光学信息技术，已成为一种远距离传输信息的标准方式，它可以在光纤中传输光信号。但是，如果光子中包含的信息能够在“光学线路”中，类似电子学线路那样分流，那么信息的传递将更快，功率也能更大。控制光学线路中的光速可以调整信号的同步，甚至能够在“冻结光子”中存储信息。操控光子的设备还能用来制造超级量子计算机，它可以利用量子力学规律，运行比现有超级计算机更庞大的计算程序。
在此之前已有减慢光速的方法。最初是在金属原子超冷气体中实现的，这种气体的温度只比绝对零度稍高一些。后来，研究人员认识到，利用激光可以调节固态晶体材料（例如红宝石）中的光导性质，光线通过材料时，由于与晶体原子发生相互作用而减慢速度。
菲利普斯研究小组，现在找到了一种新方法，利用微电子技术中的半导体，来设计制造减慢光子运动速度的材料。光线在传播的过程中，通常会与介质材料中原子发生相互作用。每个光子都是一个振动着的电磁波包，它们与原子中的电子的相互作用，可以用量子理论描述。像光速减慢这样的量子光学效应，可利用激光改变原子的电子态，也就是影响电子与光子的相互作用来实现，从而有效地减慢光子运动速度。
在半导体平板材料，如硅芯片中，电子态太混乱，不能用来精确调节。但是在非常薄，只有几纳米厚的半导体薄膜中，电子态可以很好地排列，并且可以通过改变薄膜厚度来控制电子态。如此薄的薄层称为量子阱，从效果上来说，它们就像是人造原子一样。
菲利普斯研究小组发现，用半导体材料砷化铟镓和砷化铝铟制成的，多层量子阱中的电子态，可以表现出减慢光子运动速度等量子光学现象。这种层状薄膜，还表现出一种不常见的“无粒子数反转光放大”效应，它是产生激光的基本要求，光信号可以在其中放大，但并不需要像传统激光器那样，先要产生一种高能电子态优势。
2．发现激光具有改变物质形态的功能
（1）发现激光制冷或可产生奇异物态。2009年9月，德国波恩大学马丁·威茨和乌尔里希·沃格尔等人组成的研究小组，在《自然》杂志发表研究成果称，在科幻小说中，激光束被描述成了神通广大的武器，而在现实生活中，它们只是被当作加热和切割的工具。但是，他们最新一项研究转变了人们对常规物理学的认识，以全新的视角展现了激光特性。
在这项研究中，研究人员利用激光，使得稠密的铷气体温度，远远低于令气体转化为固体的正常温度。在之前的研究中，科学家只能利用激光急速“过度冷却”那些经过稀释的气体。
美国国家标注技术研究所激光制冷部门的物理学家特雷·波特介绍说：“有时，你用激光照射某些东西，这些东西的确可以冷却下来，它们不仅是一大堆原子，还有肉眼可以看到的物体。”波特并未参与最新研究。
据悉，研究小组可以利用这一过程去生成新的物态。威茨说：“例如，如果你可以将水急速冷却至0℃以下，此时水通常会变成冰，这便可预测物质奇异的晶态和玻璃态。”他补充说，还可以将新技术用于制冷机制，以大大提高某些太空观测设备的精确度：“如果你可以冷却用以观测恒星的热感照相机，它们的噪音会更小，敏感度更高。”
由于激光色彩同其强度密切相关，新技术主要基于一种红色激光。研究人员对这种激光的频率进行调整，令其光束仅影响相互碰撞的原子。接着，研究小组用这种激光，去照射处于高压“氩大气”的铷气体原子。氩是一种惰性气体，这意味它们不会轻易同其他元素的原子发生反应。
不过，波特解释说：“在铷原子轰击氩原子的稍纵即逝的瞬间，铷可以从激光器中吸收光子。”此时，吸收来的光子的作用，就好像是突然支撑起两个原子的强有力弹簧，这种微弱的联系，使得原子在试图飞离时减缓其速度。但是，在某一个时刻，这根“弹簧”伸展的幅度非常大，以致两个原子的链接断裂，原子作为分散的荧光被释放出来。
在这种情况下，便需要多余的能量，以减缓逃逸光子所带走的原子的速度，所以，这个过程会最终消除比激光自身产生还要多的能量，用以冷却铷气。在实验中，铷气的温度在几秒钟内便从350℃骤降至280℃。威茨指出，在将这个急速制冷过程应用于现实生活中之前，还需要从事更多的研究。
不过，波特表示，这项研究与冷却稀释气体的传统方法有很大的不同，后者目前被用以研究量子效应，或为原子钟准备气体样本。波特说：“我认为，这项研究，真正让人惊讶的地方在于，你甚至在这种状况下对物体进行冷却，因为这是稠密气体和一种截然不同的机制。传统制冷能力其实是非常小的。而利用激光器令物体温度明显下降，的确令人惊讶不已。”
（2）发现激光能使固态铝变透明。2009年7月，英国牛津大学物理学院贾斯汀·沃克领导的一个国际研究团队，在《自然·物理》杂志上发表论文称，他们利用目前世界上最具威力的软X射线激光轰击固态铝金属，制成了透明状态的铝材料。这一研究成果，可对行星科学以及核聚变能利用有所启示。
此前，透明铝仅在科幻小说中存在，由于电影《星际迷航4》而名满天下。该研究团队，把所有能量聚焦在直径小于人类头发粗细1/20的点上，利用自由电子激光装置产生短脉冲，轰击样本中每个铝原子的核心电子，而不破坏金属内的晶体结构，从而使铝金属在极端紫外线辐射的状态下变得近乎透明。这表明，极强的X射线源可催生新的物质状态。但这一效应仅能持续极短时间，约40飞秒。
沃克说：“我们所研制的是之前从未有人涉及的新态物质。透明铝只是一个开始，我们正在研发的物质的物理性质，与大型行星内部的状况紧密相关；我们还希望，通过研究此种物质，能对同样需要高强度激光内爆激发的小型恒星的生成过程，有更清晰的了解；有朝一日在地球上也能对核聚变的能量加以利用。”
沃克教授表示：“我们实验的非凡之处在于，仅利用高强度激光这一个步骤，就把普通的铝转化为了新态的物质材料。在某些特定方面，其表现得如同我们已将每个铝原子转化为了硅原子，这就如同你发现可以利用光源将铅转化为金一样神奇！”
这一发现，因比世界上任何同步加速器都亮100亿倍的新辐射源的发展而变得可能。德国汉堡电子同步加速器中心的自由电子激光装置，能产生极短的软X射线脉冲，其每条脉冲的能量，都比能供应一整个城市电力的发电厂还要强劲。研究人员坚信，这一光化电离方式，是研制类似新态物质的理想方式，这也将为行星科学、天体物理学和核聚变能利用等不同领域的进一步研究提供有效帮助。
（3）发现超短激光脉冲能瞬间使玻璃具有金属性质。2014年8月18日，奥地利维也纳技术大学理论物理学研究所学者乔治·沃奇特、克里斯托弗·里默和教授乔吉姆·伯格多弗，与日本筑波大学学者共同组成的一个国际研究小组，在《物理评论快报》上发表论文称，他们通过计算机模拟证明，只需用激光照一下，不到一秒钟石英玻璃就会具有金属的性质。研究人员指出，利用这种效应来制造逻辑开关，会让现有微电子设备的速度大大提高。
此前德国科学家曾做过一项实验。当用激光照射石英玻璃时，能在其中检测到电流，而照射之后玻璃几乎立刻恢复为先前状态。据报道，本项研究从理论上探讨了在绝缘体中，超短激光脉冲诱导的超快电流是怎样产生的。
通常石英玻璃都是绝缘的，不能导电，但只要用超短激光脉冲照一下，玻璃的电学属性就会在几飞秒内发生根本改变。如果激光脉冲足够强，其中的电子就能自由移动。在一段极短的时间内，石英玻璃会变得像金属一样，不透明而且能导电。这种性质的转变能瞬间完成，由此可以作为一种超快光基电子设备。
从量子力学角度，电子在固体材料中可同时处于不同状态：它可以紧紧绑在某个原子附近，也可以处在一个较高能态。较高能态让它可以在两个原子之间运动，就像把一个小球放在一个坑里：小球的能量很小时，只能待在那个坑里，如果它获得了足够动能，就能自由运动。
论文第一作者沃奇特说：“激光脉冲的能量大大改变了石英中的电子状态，它不仅能把能量转移给电子，还能完全打乱材料中电子态的整个结构。”
目前所用的晶体管，每次开关都要有大量载荷子运动，直至达到新的平衡态，这会耗费时间。如果用激光脉冲来改变材料性质，情况就会完全不同，这里的线路换态过程来自电子结构和原子电离的改变。里默说，在已知的固态物理学中，这些效应发生的速度是最快的过程之一。晶体管的发动时间通常为皮秒级，而用激光脉冲改变电流比它快1000倍。
伯格多弗说：“利用计算机模拟，我们能通过慢动作来研究事物随时间的演变，观察材料中究竟发生了什么。”但要模拟这种效应极为复杂，必须同时考虑到许多量子过程，如材料的电子结构、激光与电子相互作用、电子间相互作用等。
计算显示，超快电流会对材料的晶体结构和化学键产生显著影响，因此研究人员还会用不同材料来实验，以观察怎样才能更有效地利用这种效应。
3．发现激光具有加快通信下载速度的功能
实验表明激光通信下载速度远快于无线电通信。2015年10月，有关媒体报道，美国航空航天局光学物理学家称，通过月球和地球之间激光链路的实验表明，激光通信在速度上实现了从未有过的高速下载，而且距离足够远，精度也很高，每秒622Mbps的激光通信链路已经达到微米级。实验室成果暗示，未来不远，激光通信将被用于空间任务。
2013年，美国航空航天局，使用激光在地球和月球之间建立了激光链路，下载速度能够满足图像和视频的传输需求。该局戈达德太空飞行中心负责激光通信技术的研发，其基础是高精度的测距技术，由此可带来导航领域的飞跃。比如能够在立方体小卫星上使用激光通信装置，不再需要大型通信装置，充其量只是一个鞋盒的大小。2013年，美国航空航天局月球大气与粉尘环境探测器进行了激光通信实验，在月球和地球之间建立了激光链路，演示激光通信的下载和上传数据的能力。证明了激光取代无线电通信的趋势，比美国航空航天局目前任何一种无线电深空通信系统都有更大的可能性。
一些运营商也考虑使用激光作为航天器数据下载的通道，使用月球大气与粉尘环境探测器无线电系统，以每秒50千比特的下载速度需要若干天，而激光通信只要4分钟完成。同时，激光通信系统下载有着非常高的精度，可以用于测量航天器的距离或天体距离。美国航空航天局测试过激光月球测距，获得了史上最精确的月球距离。在通信方面，激光通信的指向精确度，也比无线电设备要高。
目前，新的微型激光通信收发器在实验室内进行了测试，速度可精确定位到每秒10微米，使用快速傅立叶变换实现专业化的计算算法。戈达德空间飞行中心导航和通信技术的副主任丹尼斯认为，如果精度较差，我们就无法进行位置定位，深空中飞船的位置是激光通信的基础，我们也能够利用其进行导航，未来行星际空间飞行中，激光通信将发挥很大的作用。
三、用激光研究微观粒子的新信息
（一）用激光探索电子的运动状态与速度
1．运用激光方法首次测量到渺秒级电子运动
2007年11月，德国慕尼黑加尔欣马克斯·普朗克量子光学研究所领导，奥地利、美国、匈牙利和西班牙等国研究人员参加的一个研究小组，在《自然》科学杂志上发表研究成果称，他们运用激光方法首次成功地在晶体中测到了渺秒级速度的电子运动，这一成果对未来开发超高速电子开关具有重要意义。
该小组一直在研究电子在固体中的运动规律和特征，为未来开发光量子计算机奠定基础。现代电子理论，是基于通过纳米开关线路来控制电子运动的。开发功能更强、速度更快的计算机，以及各种在医学和航空航天领域中应用的敏感仪器，需要有速度更快的纳米电子线路开关。开关的速度受限于电流中电子的运动，通常电子线路开关的结构越小，能达到的开关速度就越高，相应通过的信息流量密度也就越大，因此专家在研制电子线路开关时都追求越来越小。
科学家猜测，在固体晶格或一个分子中，相邻两个原子之间的距离是通过电流传递信息最短的距离，原子上的电子，克服这个距离所需要的时间估计在渺秒级（1渺秒等于10-18秒）。德国马克斯·普朗克量子光学研究所的研究小组正是在这一点上实时测得了电子在固体原子结构中的运动。
研究小组利用一束持续300渺秒的脉冲远紫外线，以及一束红外线脉冲来控制一块钨晶体表面的电磁场，渺秒级激光脉冲射入晶体，部分光粒子转变成电子，起到电流的作用，并作为引导电子激发晶体原子的附带电子。然后，两种电子以不同速度从原子层底部到达晶体表面，引导电子的速度比被激发的电子速度更快。当电子到达表面时，通过与激光脉冲电磁场最初速度的核对，可以验证电子在晶体中运动随时间的变化，利用超高速激光电磁场，还可以控制电子的运动速度。
2．运用激光信号直接测量电子的运动速度
2012年2月，美国堪萨斯大学的物理学助教赵辉和教授朱迪·吴等人组成的研究小组，在《物理评论快报》杂志上发表论文称，他们运用激光信号，开发出一种探测电流的新方法。它基于二次谐波产生的过程，通过激光信号，就像一个能远程监控电子速度的“雷达测速仪”一样，能直接“看”到电子的运动并测出电子的速度。
研究人员在超快激光实验室进行这项实验。他们发现，高能激光器发出的光，照射在一种包含有移动电子的材料上时，会产生不同颜色的光。在实验中，他们仔细研究了纤薄的砷化镓晶体材料，该材料广泛应用于高速电子学和高速光子学。通过朝整块晶体施加电压，他们让电子以特定的速度在晶体内流动。用人眼看不见的红外激光脉冲照射该晶体，会产生人眼可见的红光，这正是二次谐波产生过程出现的信号。
他们还发现，红光的亮度与电子的速度成比例。也就是说，电子运动速度越快，红光越亮；而当电子没有直接运动时，没有红光出现。赵辉表示：“通过探测红光，我们能精确测量电子的速度，电子不需要同其他样本接触；我们也不会干扰电子的活动。在此项研究之前，现有探测实验技术都基于电流有三个效应：它能为系统充电、改变系统的温度并产生磁场。而科学家最新发现，电流还具有光子效应，这种使用激光研究电流的新方法，完全基于这一最新效应。”
研究人员表示，新方法有望改善现今的很多可再生能源技术，诸如太阳能电池、人工光合作用以及水分解等，因为这些技术都依靠对电流进行探测。而且，能更好“阅读”电子运动的传感器，可能会成为下一代手机和计算机的基础。
（二）用激光研究原子的行为举止与内在结构
1．发明测量原子的激光计量器
用激光发明世界上首个测量原子世界的紫外线“量尺”。2005年5月，美国国家标准与科技学院与美国多德地区科罗拉多大学合办的联合天体物理实验室，其负责人叶军领导的研究团队，在《科学评论快报》上发表研究成果称，他们利用超快激光脉冲，发明了世界上最精确的紫外线“量尺”。
这种新型仪器，能够不断地产生持续时间为1飞秒（千万亿分之一秒）的脉冲，然后将这种光波暴露在电磁波谱中的紫外线区域。
研究人员表示，他们研制的这一新型紫外线“量尺”，是将氙气暴露在一种被称为“飞秒光梳”的激光红外线下。这种红外线通过在反射度极高的镜子中间反复折射，来提高自身的密度，在这一过程的同时，完全受到电离子化的氙气，就会释放出在脉冲宽度与原始红外线飞秒光梳相同的紫外线脉冲。而新的飞秒光梳，提高了较短的紫外线波长的测量精确度，这有点像照相机的高速快门可以捕捉到瞬间的图像一样。
这种新设备有望成为在多个领域进行超精密测量的重要工具，包括化学、物理学，以及天文学。与激光发光能阶实验中能够仔细观察原子相比，这种基于短波长紫外线的量尺，可以观察精细到诸如化学反应发生时间等细节。如果能够开发出附加设备，也可对某些纳米级物体进行详细观察。
新型设备可以比作是一个拥有超快快门速度的照相机，并且能够连续不断地进行一帧一帧地拍摄，这就使科学家们可以为更精细的结构和动态拍摄下“照片”。然后再高速合成多幅图片，科学家们就可以更加深入地了解许多现象的细节。
叶军说：“这种紫外线源有极高的分辨率。从技术角度上讲，这种以前用来制造光线的系统，不仅简单而且成本很低，还不需要有源放大器。”
研究人员指出，这种新型激光设备可以产生出“飞秒光梳”，之所以这样称呼，是因为这种光线的频谱，看起来有些像发梳上整整齐齐的梳齿。这种光梳是光频光梳的“短光波”版，近年来利用光频光梳，科学家们已经成功地展示了光学原子钟。光学原子钟要比目前的微波原子钟精确100倍。而飞秒光梳由于具有极高的速度即重复频率，使其成为任何一种光学量具最有效的“牙齿”。
这款设备，利用高次谐波将波长为微米级的激光红外线脉冲转化为高能量、波长大约为1/10纳米的紫外线。当密集的激光区域，照射到诸如氙气这类极为稳定的气体，转化就会发生。而气体分子会被电离子化，释放出电离子。然后，在紫外线区域的驱使下，电离子会返回母原子并且释放出频率是原激光频率几倍的光线。这样就会使出现在电磁光谱其他区域的飞秒光梳，仍然保持着整齐的结构。
过去，科学家们常常依靠重复率较低的放大器，获得极高的光线密度来进行高次谐波过程，但是这种方法无法保持光梳连续的结构。其他基于短波长光源的方法，一般都十分复杂而且昂贵。该研究团队克服了这些难题，他们将一个低脉冲能量但是高重复率的飞秒激光，与一个配有氙气发射装置的高精度腔体结合到一起。在充满电离子化的氙气的真空中，激光光线通过六个特制的镜面来回反射。这一过程将光线密度增强了至少1000倍，而在光线来回反射成千上万次的同时，光梳的结构依然保持不变。
这些镜面都是反射度极高，特别为有效聚焦光线所设计的。研究人员专门为这些镜子开发了规格及其特性。这些镜面防止脉冲发散或变形，并使光线保持在电离子化的氙气中。如果光线循环的时间越长，那么所产生的波长就会越短。
这一系统，比传统的短波长光源更加简单。利用标准的激光，就能作为振荡器而无须复杂的方法来有源放大脉冲。与传统系统相比，利用镜面持续地“回收”激光光线，同样能够有效地提高产生光梳的有效性。
这项研究，是由美国国家标准与科技学院、空气动力科学研究所、海军研究所、美国国家航空航天局和国家科学基金会共同资助。
2．用激光探索原子行为举止的新成果
（1）利用激光驱动的超短脉冲X射线观察到原子运动。2004年12月，莱布尼茨科学联合会发表新闻公报说，德国柏林非线性光学和快速光谱学研究所研究人员，借助X射线闪光观察到原子运动。
研究人员说，他们利用一种由激光驱动的新型超短脉冲X射线源，成功地在一个半导体纳米结构中，追踪到原子运动。他们凭借毫微微秒（10-15秒）X射线衍射的变量，能够追踪到原子的变化。
利用X射线可以透视物体内部，这一技术目前广泛运用于机场安检、医学诊断、材料检测，以及原子和分子结构分析中，但一般都是静态成像，描述物体在某一个特定时间的状态。基于德国科学家的这一新成果，可以研究出透视物体内部微观世界运动的技术，即像拍高速电影一样，通过连续的快速摄影成像，观测和记录原子和分子的运动。
（2）设计出捕捉原子的激光“陷阱”。2005年4月，美国俄亥俄州立大学副教授格雷格·拉菲亚蒂斯等人，在《物理评论A》杂志上发表论文说，他们成功地设计出捕捉原子的激光“陷阱”：用相干激光在玻璃芯片上构成一个个“原子陷阱”，理论上每个“原子陷阱”能捕捉一个气态铷原子。研究人员说，这一进展向将来设计建造量子计算机前进了一大步。
研究人员介绍道，当前制造量子计算机的一个思路，是首先将原子捕捉住，这样就能通过激光操作来读写量子状态。其他研究人员在实现这一思路时，都试图用自由空间的一个封闭“笼子”来捕捉原子，但目前在实践上要操作“笼子”中的原子有一定困难。
拉菲亚蒂斯等人通过另一种方式来捕捉原子。他们用两束相干激光在一块玻璃芯片的表面涂层内纵横相交，由于光的相干作用，芯片上形成肉眼看不到的激光的波峰和波谷，犹如一个个“鸡蛋格”，“鸡蛋格”的最中央是一个大小相当于原子、被电场包围的空洞。研究人员说，每个空洞可以捕捉住一个铷原子，然后用单束的激光就可以操纵原子，实现量子计算。
这一设计与目前激光唱片存储数据的方式非常相似。拉菲亚蒂斯说，用平面芯片上的激光“陷阱”捕捉原子，比用空间中的“笼子”更具有可操作性。他们已经制造出这样的芯片，并使用磁场成功地使10亿个铷原子，形成豌豆大小的原子云。目前，他们正试图操作原子云运动到芯片上方，理论上，当铷原子云到达芯片上方时就会自动落入“激光陷阱”。
传统计算机是通过二进制位“0”和“1”来表示信息，一个字节要么是“0”，要么是“1”，而如果用量子状态表示信息，一个量子位就可以表达两者兼有的状态。按照这一构思，量子计算机的信息处理和存储能力，比目前的计算机将有质的飞跃。据研究人员估计，要实现目前最新型计算机的功能，只需要1000个量子位，因此量子计算机成为当前的研究热点。
拉菲亚蒂斯等人说，如果他们的设计成功，将大大地推动量子计算机的设计制造，但真正应用到实际中将至少是两年之后的事情了。
3．用激光探索原子内在结构的新成果
借助重型激光炮观测超重原子核结构。2017年3月，国外媒体报道，俄罗斯莫斯科大学、圣彼得堡核物理研究所科学家，与比利时同行一起组成的一个研究小组，借助重型激光炮观测超重原子核结构，首次接触到超重核的物理属性。超重元素在自然状态中并不存在，人工合成的数量也极少，而且超重元素原子核极易崩解，存在时间往往只有1/10秒，因此人类对其结构了解极其有限。
近年来，核物理学家合成出数十个无法在自然状态下存在、具有超高原子量的新元素，其中许多是在俄罗斯科学院杜布纳联合核子研究所内完成的，114号元素和118号元素就以俄罗斯科学家命名，105号元素则以杜布纳命名，115号元素以莫斯科州命名。
俄罗斯科学家合成新元素时发现了“稳定岛”，观测到位于门捷列夫元素周期表原子质量和序数特殊区域的元素，不会轻易发生衰变。科学家们推测有超重元素存在，它们能够保持稳定状态数天以至数百万年。目前人类还没有掌握超重元素原子核的结构，以及质子和中子的排列规律，对“稳定岛”的认识仍处于黑暗中的摸索阶段，只有通过了解新元素来研究它们的物理化学属性。
近日，该研究小组找到一种方法，用超强功率激光器和类似喷气发动机的特殊装置，形成重型激光炮，并让其在合成出超重元素瞬间透视原子核。超重元素原子可驱动发动机，将它们与惰性气体混合，压缩成窄的气体束，以超过声音的速度穿过激光束照射的暗箱，激光束击中原子分离出电子后，原子会变成更易操控及更易响应激光束焙烧的离子，在光和原子的相互作用下，光谱上会呈现出原子核内部的结构信息，从而使得人们能够窥探原子核内部的秘密。
（三）用激光探索分子的演化过程
1．用激光揭示分子的形成过程
首次用激光拍摄到分子化学键的形成过程。2015年2月12日，美国斯坦福线性加速器中心和瑞典斯德哥尔摩大学教授安德斯·尼尔森领导，斯坦福界面科学与催化剂中心主管詹斯·诺斯科夫等专家参加的一个研究团队，在《科学快递》上发表论文称，他们利用美国斯坦福直线加速器中心国家加速器实验室的X射线激光进行实验，首次观察到分子化学键的形成过程。
研究人员说，他们首次拍摄到化学键形成过程中的过渡状态：原子形成一种不确定的键。反应物是一氧化碳分子，其左边由一个黑色的碳原子和一个红色的氧原子构成，以及它右边的一个氧原子。它们附着在钌催化剂表面，催化剂让它们彼此靠近，更容易反应。发射一束光学激光脉冲，反应物振动并互相碰撞，碳原子和氧原子的中间形成一个过渡状态的键。生成的二氧化碳分子脱离催化剂表面在右上方飘走。线性相干光源X射线激光能探测到这些进行中的反应，并生成动画视频。
报道称，科学家第一次看到了分子化学键形成的过渡状态：两个原子开始形成一个弱键，处在变成一个分子的过程中。长期以来，人们一直认为这是不可能的。这一基础性进步将产生深远影响，可以帮助人们理解化学反应是如何发生的、设计释放能量的反应、开发新产品及如何更有效地给作物授粉。
尼尔森说：“这是所有化学最核心的部分，可以看作是一个圣杯，因为它控制着化学反应。但由于在任何时刻，处在这种过渡状态的分子都如此之少，人们认为我们永远无法看到它。”
研究团队观察的反应，与汽车尾气中一氧化碳的催化中和反应是一样的：反应在催化剂表面发生，催化剂能抓住一氧化碳和氧原子，让它们彼此靠近，更容易地结合形成二氧化碳。斯坦福线性加速器中心的线性相干光源上明亮的X射线激光脉冲，足够短也足够快，能照亮原子和分子，让人们看到前所未见的化学反应世界。
在实验中，研究人员把一氧化碳和氧附着在一种钌催化剂表面，用光学激光脉冲驱动反应进行。脉冲将催化剂加热到1700℃，使附在上面的化学物质不断振动，大大增加了它们碰撞结合在一起的机会。利用线性相干光源的X激光脉冲，研究人员能探测到原子的电子排布的变化，即化学键形成的微细信号，时间仅有几飞秒。
尼尔森说：“首先是氧原子被激活，随后一氧化碳被激活。它们开始振动，一点点地来回移动，然后，大约在一万亿分之一秒后，它们开始碰撞，形成了这些过渡状态。”
他们惊讶地发现，许多反应物都进入了过渡态，但只有一小部分形成了稳定的二氧化碳，其余的又分开了。尼尔森说：“就好像你在山坡上向上弹球，大部分球上到山顶又滚下来。我们看到许多球在不断努力，但只有很少反应能持续到最终产物。要详细理解在这里所看到的，我们还要做更多研究。”
报道称，瑞典斯德哥尔摩大学亨利克·奥斯托姆教授领导的研究小组，做了如何用光学激光引发反应的最初研究工作，在斯德哥尔摩教授拉斯·皮特森的领导下计算了理论光谱。在实验中，理论起着关键作用，预测着将会看到的情况。
诺斯科夫说：“这是极为重要的，让我们能深入理解法则的科学基础，而这些法则能帮我们设计新的催化剂。”
2．用激光揭示分子的分解过程
（1）运用激光装置捕捉到氟甲烷分子解离过程的短暂变化。2004年2月27日，美能源部所属布鲁克海文国家实验室化学家亚瑟·休茨领导的研究团队，在《物理评论快报》发表研究成果称，该实验室的强烈紫外线自由电子激光装置，已经获得初步实验结果。
该研究团队对气体分子遭到高能量激光激发时如何分离，进行过研究。该研究可提高以分子与光交互作用为基础的，许多基本化学暨物理过程的洞察力，可用于研究光合作用、辐射伤害及臭氧形成等。
休茨宣称，通过最新的实验，他们已进一步得知，对光做出反应时，电子如何在分子内重新排列、化学键的特性及化学键断裂的过程。
该实验中使用的气体为氟甲烷。每一分子可想象为两部分的集合：带正电荷的氟原子（亦即氟离子），以及含三个氢原子与一个碳原子结合之带负电荷的甲基离子。当休茨研究团队将来自激光装置的紫外线束对准一束氟甲烷气体时，该气体的每一分子吸引了光的单一高能光子。该光子导致分子分离或分解成被称为离子对的正与负的片断。
休茨解释道，这个解离是一种特殊事例。当分子吸收大量能量时，通常会释出电子而成为正离子。不过偶尔，分子会短暂存在于吸收了足以离子化，而无离子现象的过度激发状态。此时分子反而会解离成若干片断。凭借研究这些片断，科学家们能获得有关整个分子的资料及化学键断裂过程的详情。
在此实验中，研究人员使用一种称为离子对造影的技术，来得悉有关氟甲烷对光的反应。在将分子解离成离子对后，凭借促使这些离子对撞击，记录每一离子撞击位置的萤光幕，科学家们追踪了氟离子的活动。从而产生的分布图赋予了科学家们有关这些氟离子之活动速度与轨迹的资料。凭借反向操作，科学家们能得悉有关整个氟甲烷分子的诸多属性及其与光的交互作用。
休茨宣称，在实验中使用氟甲烷是个不错的选择，不过他们希望研究其他的解离过程。他们必须更充分利用该激光装置诸多独特的特性及功用，这些能有助于他们得悉更多有关化学键经改变及断裂时，电子如何在分子内活动。
（2）首次用激光方法拍摄出乙炔分子的分解过程。2016年10月25日，美国科学促进会网站报道，美国堪萨斯州立大学物理学家林绮东领导的研究团队，与西班牙巴塞罗那光学研究所延斯·比格尔特主持的研究团队携手攻克难关，在《科学》杂志上发表论文称，他们首次用激光方法成功拍摄出含4个原子的分子，在9飞秒内化学反应的动态过程。
这一最新研究成果，将为科学家提供有力工具，以观察化学、生物学和物理学等领域不同类型的反应过程和分子变化。
飞秒只有一千万亿分之一秒，许多化学反应都发生在飞秒的瞬间，此前没有办法测量出飞秒过程中的分子变化。而用激光记录飞秒内分子变化，最早由林绮东团队提出，并在2012年首次用激光拍摄出含两个原子的氧分子动态分解过程。而拍摄更大的分子需要用到更强的激光，经过近5年的漫长研究，他们终于与比格尔特团队联合攻克了这一挑战，拍摄出含4个原子的乙炔分子（两个碳原子和两个氢原子）化学键断裂过程。
该国际团队通过一种中红外激光诱导电子衍射的设备，利用分子内部自有的电子为分子拍照，获得了乙炔内化学键断开过程的连拍图片。他们向乙炔分子施加一束强激光，激活分子内一个电子离开，启动乙炔分子发生分解反应，最后为这一发生在9飞秒内的分子变化连续拍摄出多张图片。林绮东说：“这是首次实时观察到9飞秒内的分子分解过程。”
研究团队还通过所获得的连拍照片，精确测算出乙炔分子内新化学键的长短。林绮东解释道，乙炔分子内有4个原子，分子结构内含多个化学键，借助飞秒激光工具，研究人员能测出化学键的断裂位置和先后顺序，从而更好地理解和控制化学反应过程。
3．用激光揭示分子的物质波相干现象
用激光和显微技术为染料分子拍摄到物质波相干图案。2012年3月，以色列特拉维夫大学等机构研究人员，与奥地利维也纳大学的同行一起，在《自然·纳米技术》杂志上发表研究报告称，他们成功地为一种染料分子，拍摄到一段量子电影，揭示了分子物质波相干图案逐渐增强的形成过程，把物质的波动性和粒子性、随机性和决定性、定域性和非定域性形象化地展现出来。
研究人员指出，他们的实验结合了显微技术，可用于分子束的产生、衍射和探测，有助于把量子干涉实验拓展到更多更复杂的分子、甚至原子干涉仪。对物理教学而言，该实验也具有重要意义，它以肉眼可见的方式，形象地揭示了单个粒子复杂的量子衍射图，让人们实时地看到这些图案在屏幕上出现，并持续几个小时。在实际应用方面，有助于深入了解固体表面分子性质，为将来研究原子薄膜衍射提供了一种新方法。
（四）用激光研究粒子流的产生过程
用激光制成比太阳光亮度高上万亿倍的伽马射线。2011年9月，英国思克莱德大学蒂诺·扎若斯兹恩斯基教授主持，他的同事，以及格拉斯哥大学相关研究人员组成的一个研究小组，在《自然·物理学》杂志上发表研究报告称，他们用激光制成目前最亮的伽马粒子流，即伽马射线，它比太阳光的亮度要高上万亿倍，为医疗和原子核研究等领域的应用开启了新的可能。
该实验是在卢瑟福·阿普顿实验室的中央激光设施内进行的。研究小组使用了新型的激光等离子体尾波场加速器，它利用大功率激光器发射持续时间超短的激光脉冲，与电离气体发生相互作用，加速带电粒子至极高能量，因此可将常见的长约100米的加速器缩小至手掌大小，比大多数传统设备更小巧，也更经济。而交互作用所发出的强烈光束，能够穿过厚度为20厘米的铅板，需要1.5米厚的混凝土才能完全吸收。此次测量到的伽马射线峰值亮度，可超过每秒、每平方毫弧度、每平方毫米、每0.1%带宽1023个光子。
扎若斯兹恩斯基说：“这是一项很大的突破，能够更容易、更广泛地探测非常致密的物质，也使我们能够监视核聚变内爆。为了证明这一点，我们借助伽马射线为25微米厚的电线拍照，并利用相位对比成像的方法，形成非常清晰的图像。这表示吸收力很弱的材料也能清晰成像，由伽马射线照射的物质只会留下十分微弱的阴影，因此可视为无形。”他补充说，事实上，如果加速电子等带电的粒子，它们会向外辐射。他们在放射强激光脉冲的离子洞中囚禁粒子，并加速使其达到高能量，洞中的电子同样也会和激光发生相互作用，从中获得能量而剧烈摆动。大幅的摇摆动作加上电子的高能量，使得光子能量陡增，从而产生伽马射线。
研究人员表示，这种射线有多种用途，可用于医疗成像、放射治疗和生产用于正电子断层扫描的放射性同位素。同样，这一来源，对于监控存储的核废料也十分有用。此外，由于激光脉冲的持续时间短到千万亿分之一秒，能捕捉到原子核的应激反应，因此这一射线，也成了实验室内对于原子核研究的理想选择。而无可匹敌的持续时间，也是伽马射线脉冲如此明亮的原因。