Forskning udvikler verdens højeste gevinst højeffekt laserforstærker

Verdens højeste laserforstærker med høj effekt - i mange størrelsesordener - er blevet udviklet i forskning ledet ved University of Strathclyde.

Forskerne demonstrerede muligheden for at bruge plasma til at forstærke korte laserpulser med energi på picojoule-niveau op til 100 millijoule, som er en 'forstærkning' eller forstærkning af mere end otte størrelsesordener - som kan sammenlignes med at forstærke lyden af ​​raslende blade til en jumbojet - i kun to mm plasma.

De brugte 150 J impulser fra det kraftfulde Vulcan lasersystem på Science and Technology Facilities Council's Central Laser Facility (CLF). I løbet af to pionereksperimenter på CLF, forskerne arbejdede tæt sammen med CLF's personale for at tilpasse Vulcan -laseren, så to lasere i forskellige farver kunne udveksle energi i et plasma. Den målte forstærkningskoefficient på 180 cm-1 er mere end 100 gange større end opnåelig fra eksisterende højeffektlasersystemforstærkere baseret på solid-state-medier.

Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , i en artikel med titlen En ultrahøj forstærkning og effektiv forstærker baseret på Raman-forstærkning i plasma.

Professor Dino Jaroszynski, fra Strathclydes Institut for Fysik, ledet forskningen. Han sagde:"Raman -forstærkning i plasma er et fascinerende koncept, der kombinerer ideerne fra Nobel Physics laureate CV Raman med plasma, optisk og laserfysik.

Her, en forholdsvis lang, højenergilaserpuls er lavet til at kollidere i plasma med en kort, meget lav energipuls. På det tidspunkt, hvor de kolliderer, producerer de en beatbølge, meget ligesom to kolliderende vandbølger. Slagmønsterets lette tryk driver plasmaelektroner ind i et regelmæssigt mønster eller en echelon, der efterligner beatbølgen. Denne flerlags echelon fungerer som en meget høj reflektivitet, tidsvarierende spejl, der fejer energien fra den højenergipuls, der reflekterer den ind i lavenergipulsen, dermed forstærker den lavenergipulsen og komprimerer dens energi til en ultrakort lyspuls.

"Vores resultater er meget betydningsfulde, idet de demonstrerer plasmamediets fleksibilitet som et forstærkermedium med meget høj forstærkning. Vi viser også, at forstærkerens effektivitet kan være ret stor, mindst 10%, hvilket er uden fortilfælde og kan øges yderligere. Imidlertid, det viser også, hvad der stadig skal forstås og kontrolleres for at opnå en enkelt fase høj gevinst, højeffektivt forstærkermodul.

"Et eksempel på de udfordringer, vi stadig står over for, er, hvordan vi skal håndtere forstærkning af 'støj', der frembringes af tilfældige plasmasvingninger, hvilket forværres af den ekstremt høje gevinst. Dette fører til uønskede kanaler for energien. Vi gør fremragende fremskridt og mener, at vi er i en glimrende position til at løse disse problemer i vores næste eksperimentelle kampagner. "

Dr. Gregory Vieux, der ledede forskergruppen, der arbejdede på CLF, sagde:"Plasma er et meget attraktivt medium at arbejde med. Det har ingen skadegrænse, da det allerede er et fuldstændigt nedbrudt medium, derfor kan vi bruge den til at forstærke korte laserpulser uden behov for strækning og genkomprimering. En anden fordel er, at yderligere komprimering under amplifikationen er teoretisk mulig. Dette kan bane vejen for udviklingen af ​​den næste generation af lasersystemer, der leverer ultraintensive og ultrakorte pulser og til en brøkdel af omkostningerne ved eksisterende lasere.

"Stadig, vi er ikke helt der endnu. Ordningen er afhængig af at kontrollere Raman ustabilitet. Den har en så stor vækstfaktor, at den kan udvikle sig og vokse fra små plasmasvingninger. "

Laserforstærkere er enheder, der forstærker lys. Hos dem, vi kender, dette gøres ved at synkronisere lysemissionen fra elektroner i atomer eller stof i fast tilstand, for at gøre det sammenhængende, hvilket er et nødvendigt skridt for at opnå meget høje beføjelser. Imidlertid, lasere med meget høj effekt ved teknologiens grænse er begrænset af skader på deres optiske komponenter og forstærkende medier. Dette gør dem meget store og meget dyre.

Plasma, universets allestedsnærværende medium, tilbyder en vej udenom denne begrænsning, fordi den er meget robust og modstandsdygtig over for skader - plasma kan ses som stof, der allerede er nedbrudt i dets mindste bestanddele:elektroner og ioner. Ved at udnytte bølger i plasma kan vi dramatisk reducere størrelsen på laserforstærkere, samtidig med at vi giver en rute til meget højere spidseffekter end muligt nu, overstiger petawatt -området for muligvis at nå exawatt. Dette er et meget værdigt mål, fordi meget intense laserpulser kan bruges til grundlæggende undersøgelser, såsom accelerationspartikler, hjælpe med at drive atomfusion eller endda udtrække partikler fra vakuum og genskabe forholdene inde i stjerner eller universets oprindelige tilstand i laboratoriet.

De højeste effektlasere i verden vil være tilgængelige til brug på tre forskningscentre, der er en del af projektet European Extreme Light Infrastructure (ELI). Dette projekt på 850 mio. € er dedikeret til undersøgelse af lys-stof-interaktioner ved de højeste intensiteter og korteste tidsskalaer. Laserkraften ved ELI vil være 1016 Watt eller 5% af den samlede solkraft, der til enhver tid absorberes på jorden. Disse lasere vil føre til ny videnskab og teknologi, der kunne for eksempel, transformere vores forståelse af højfeltfysik og resultere i nye strålebehandlingstilstande til behandling af kræft. Der er behov for at reducere omkostningerne ved laserteknologi, hvilket plasma kunne tilbyde. Plasma kan være en vej til højere magter for at gå ud over de tilgængelige på ELI for at nå exawatt -magter.