Plasmaoptik kombinerer lasere til superstråle

Siden introduktionen i 1977-filmen "Star Wars, " Dødsstjernen er forblevet en af ​​science fictions mest ikoniske figurer. Billedet af Alderaans ødelæggelse i hænderne på Dødsstjernens superlaser er brændt ind i millioner af fans hukommelse.

Forskere og lasereksperter har fastholdt, at denne superstråle aldrig kunne fungere på grund af lasernes egenskaber - teorien siger, at snarere end at konvergere og kombinere deres energi, bjælkerne ville bare passere gennem hinanden.

Det var sandt - indtil nu. Et team af forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har tilføjet et plasma - en ladet blanding af ioner og frie elektroner - til konceptet og med succes kombineret flere separate lasere til en superstråle. Dette værk blev for nylig udgivet i Naturfysik , og er et næste skridt i LLNL's 50-årige historie med lederskab inden for laserforskning og -udvikling.

Selvom denne superstråle ikke er helt så "super" som den, der er afbildet i science fiction, det står som en vigtig bedrift - for første gang, ni af National Ignition Facility's (NIF) 192 laserstråler blev kombineret for at producere en rettet lyspuls, der var næsten fire gange energien af ​​nogen af ​​de individuelle stråler. Udnyttelse af LLNLs ekspertise inden for optisk forskning og udvikling, holdet brugte en Livermore-designet plasmaoptik til at kombinere strålerne og producere denne første demonstration af sin art.

I visse eksperimentelle konfigurationer, mål kan kun drives af en enkelt stråle. Hver stråle har en grænse for mængden af ​​energi, den kan levere. Ved at kombinere flere bjælker til én, LLNL's plasmastrålekombinator kan bryde igennem denne grænse og skubbe disse eksperimenter ind i nye fysikregimer. Stråler med høj energi og fluens forventes at fremme en række anvendelser, herunder avancerede røntgenkilder og studier af fysikken ved ekstreme intensiteter.

"I højenergilasersystemer, som bruger konventionel solid optik, den maksimale fluens (energitæthed) er begrænset af beskadigelsen af ​​materialet, " sagde Robert Kirkwood, hovedforfatteren på papiret og programmatisk leder for kampagnen. "Fordi et plasma i sagens natur er et materiale med så høj energitæthed, du ødelægger det ikke. Den kan håndtere ekstremt høje optiske intensiteter."

"Strålekombination er for nylig blevet udført med solid-state lasere, men var begrænset af typisk standardoptik, " tilføjede Scott Wilks, medforfatter og en af ​​kampagnens designere. "På grund af denne plasmaoptik, vi kan lægge en enorm mængde energi i et meget lille rum og tid – seriøs energi, i en godt kollimeret (fokuseret) stråle."

Laserforskning og -udvikling skubber ind i nye magt- og energiregimer, som er begrænset af konventionel faststofoptik. Imidlertid, at bruge en plasmaoptik kan virke kontraintuitiv.

"Plasma er generelt dårligt for lasere - det er banebrydende for vores eksistens. Holdet har vendt det på hovedet og udnytter bevidst plasmaer til gavn, " sagde Brent Blue, medforfatter og programleder for National Security Applications hos NIF.

Plasma skaber generelt ustabilitet, når det kombineres med intense laserstråler. Imidlertid, ved at kontrollere en ustabilitet, der forårsager overførsel af energi, når stråler krydser hinanden, forskerne var i stand til at kombinere energien fra flere stråler til en enkelt kraftig stråle.

"Vi har vidst, at plasma kan aflede lys og ændre retningen af ​​energistrømmen, men det har været svært at gøre det på en meget præcis måde, " sagde Kirkwood. "Her har vi vist, at vi kan kontrollere optiske ustabiliteter i plasma, så i stedet for tilfældigt at sprede energi, de sætter det, hvor vi vil have det, og gør det med god kollimation og høj intensitet, producerer en lys stråle, der kan leveres til et andet mål. Vi kan nu kontrollere og forudsige, hvad plasmaet gør, ret præcist."

Overgang til et nyt optisk materiale med en meget højere skadetærskel end noget tidligere brugt åbner døren til højere intensiteter og energier. Ser frem til, holdet planlægger at skalere eksperimentet op med håbet om at kombinere op til 20 stråler til én.