Undersøgelse anbefaler en stærk rolle for nationale laboratorier i anden laserrevolution

En ny undersøgelse opfordrer USA til at optrappe sin laser-F&U-indsats for bedre at kunne konkurrere med store oversøiske bestræbelser på at bygge store, højeffekt lasersystemer, og noterer fremskridt og milepæle på Department of Energy's Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center og andre steder.

En investering i denne såkaldte "anden laserrevolution" lover at åbne op for en række applikationer, fra bearbejdning til medicin til partikelacceleration, ifølge decemberrapporten fra National Academies of Sciences, Ingeniørarbejde, og medicin, som tilbyder uafhængige analyser til offentlige myndigheder og politiske beslutningstagere.

Den 280 sider lange rapport, "Muligheder i intense ultrahurtige lasere:rækker ud efter det skarpeste lys", anbefaler øget koordinering og samarbejde mellem offentlige laboratorier og agenturer, universiteter, og industrien til at opbygge amerikanske laserfaciliteter og -kapaciteter.

Det anbefaler også, at DOE leder oprettelsen af ​​en national strategi for at udvikle og drive store nationale laboratoriebaserede laserprojekter, mellemstore projekter, der potentielt kan være vært på universiteter, og et laserteknologioverførselsprogram, der forbinder industrien, den akademiske verden, og nationale laboratorier.

Udvalget, der udarbejdede rapporten, besøgte Berkeley Lab og andre nationale laboratorier i det nordlige Californien, herunder SLAC National Accelerator Laboratory og Lawrence Livermore National Laboratory. Komiteen besøgte også Extreme Light Infrastructure Beamlines-laseranlægget, der er undervejs i Tjekkiet, og Laboratory for Laser Energetics ved University of Rochester i New York.

På DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), BELLA-forskere arbejder på at udvikle laserbaserede accelerationsteknikker, der kan føre til mere kompakte partikelacceleratorer til højenergifysik og drivere til højenergilyskilder; også, rapporten noterer, "laserekspertise og -udnyttelse", der var blevet koncentreret om andre laboratorier, "udvides nu med planer for anvendelse af lasere hos (Berkeley Lab)" og andre steder.

BELLA har gjort fremskridt med at demonstrere den hurtige acceleration af elektroner ved hjælp af separate faser af laserbaseret acceleration ved at danne og opvarme plasmaer, hvori der skabes en kraftig bølge, som elektroner kan "surfe" på.

"Der er meget arbejde, der allerede er blevet gjort, og Berkeley Lab har været en nøgleudvikler for visionen om, hvor tingene skal hen, sagde Wim Leemans, direktør for BELLA-centret og laboratoriets Accelerator Technology &Applied Physics Division.

Berkeley Lab var hjemsted for et banebrydende eksperiment) i 2004, der viste, at laserplasmaacceleration kan producere relativt smalle energispredningsstråler - rapporteret i det såkaldte "Dream Beam"-nummer af tidsskriftet Natur - og i 2006 brugte en lignende laserdrevet accelerationsteknik til at accelerere elektroner til en dengang rekordenergi på 1 milliard elektronvolt, eller GeV. Denne præstation blev fulgt i 2014 af en 4,2 GeV-stråle, ved hjælp af den kraftfulde nye laser, der er i hjertet af BELLA Center og vil være nøglen til dets igangværende kampagne for 10 GeV. I 1996 Berkeley Lab registrerede også den første demonstration af røntgenimpulser, der varede kun kvadrilliontedele af et sekund med en teknik kendt som "invers Compton-spredning, " står der i rapporten.

K-BELLA:kombinerer hastighed og kraft

"Hvad industrien ser, er fremstødet mod lasere med højere gennemsnitseffekt og ultrahurtige lasere, og det begynder at påvirke bearbejdning og industrielle applikationer, " sagde Leemans. "Det er virkelig gode nyheder for os." I laser lingo, gennemsnitseffekt relaterer til, hvor meget samlet effekt laseren afgiver over tid, tælle pulserne og "off-tiden" mellem pulserne, mens spidseffekten er en individuel puls.

En hurtig affyringshastighed af højeffektimpulser giver en laser højere gennemsnitseffekt og kan potentielt anvendes til en bredere vifte af anvendelser. National Academies-rapporten anbefaler, at amerikanske videnskabelige interessenter bør arbejde på at definere de tekniske specifikationer i laserpræstationsmål, såsom mål for spidseffekt, gentagelsesfrekvens, længde af pulser, og bølgelængden af ​​laserlys.

I 2012 satte BELLA-centrets laser rekord ved at levere en petawatt (quadrillion watt) strøm pakket ind i impulser, der målte 40 kvadrilliontedele af et sekund i længden og kom med en hastighed på én i sekundet.

Et nyt mål er at øge denne puls til 1, 000 i sekundet, eller en kilohertz, for en næste generations opgradering kaldet K-BELLA. Producerer pulsfrekvenser på op til 10, 000 eller 100, 000 i sekundet kunne gøre denne maskine relevant for en ny type laserbaseret partikelaccelerator.

"Der er masser af applikationer til en laser i k-BELLA-stil, " sagde Leemans. Visionen er, at k-BELLA skal være en kollaborativ forskningsfacilitet, der vil være åben for forskere uden for laboratoriet, han sagde, som også synkroniserer med anbefalingerne i rapporten for at fremme et mere samarbejdende miljø for laservidenskab og videnskabsmænd. Smedning og vedligeholdelse af forbindelser til andre lasercentre i verdensklasse er også nøglen til det amerikanske laserprogram, noterer rapporten.

En anden opgradering, der kan være nyttig for det amerikanske laserprogram, er tilføjelsen af ​​en anden beamline hos BELLA, sagde Leemans. En anden strålelinje kunne muliggøre eksotiske kollisioner mellem en lysstråle og en elektronstråle, eller mellem to lysstråler.

Laserproducerede stråler af lyselementer, og laserproducerede lavenergielektronstråler, kunne også forfølges på BELLA for at udvikle det biomedicinske grundlag for nye typer medicinske behandlinger, der bedre målrettes mod kræftformer, for eksempel. "Vi ser frem til at forbedre vores egne laserkapaciteter på Berkeley Lab, mens vi arbejder med vores partnere for at styrke landets laser-F&U-indsats, " sagde James Symons, assisterende laboratoriedirektør for fysiske videnskaber. "Lasere med højere gennemsnitseffekt vil være afgørende for alle praktiske anvendelser af laserplasmaacceleratorer."