Optisk innovation kunne dæmpe rysten fra højeffektlasere

Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet og testet et innovativt optisk system til præcist at måle og kontrollere positionen og pegevinklen af ​​højeffekt laserstråler med hidtil uset nøjagtighed— uden at afbryde eller forstyrre strålerne. Det nye system vil hjælpe brugere i hele videnskaben med at få mest muligt ud af højeffektlasere.

Den eksperimentelle valideringsindsats blev ledet af doktorgradskandidat Fumika Isono fra Berkeley Lab og UC Berkeley. Hendes resultater er beskrevet i et papir, der for nylig blev offentliggjort af tidsskriftet Cambridge University Press, High Power Laser Science and Engineering.

"Dette er et enormt fremskridt inden for måling og kontrol, som vil gavne højeffektlaserfaciliteter over hele verden, " sagde Cameron Geddes, Direktør for Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) division, som BELLA Centret er en del af.

Måling uden forstyrrelser

Folk tænker på en laser som værende så præcis, at den passerer ind i sproget som metafor, men brugere med krævende applikationer ved, at laserstråler bevæger sig rundt i en lille skala som reaktion på vibrationerne og variationen i selv det mest kontrollerede laboratoriemiljø.

"At misse målet med så lidt som et par mikron kan gøre forskellen mellem fantastisk videnskab og en uønsket tilføjelse til baggrundsstøj, " sagde Isono.

Forskydninger af pegevinkel på mindre end en tusindedel af en grad kan også resultere i uønskede kompleksiteter. Det er her diagnostiske sensorer og feedback-systemer kommer i spil.

At måle disse parametre både nøjagtigt og uden at opsnappe strålen er tricket. Traditionelle metoder sænker enten strålens kraft kraftigt ved at opfange dens pulser (hvilket i hvert fald er svært for intense, højeffektstråler) eller lider af unøjagtigheder, fordi de ikke måler strålen nøjagtigt som leveret. BELLA-centrets innovative tilgang involverer afspaltning og overvågning af en nøjagtig kopi med lav effekt af fjernlys, reflekteres fra bagsiden af ​​en specialdesignet slutoptik i strålelinjen.

Hjertet i denne nye tilgang er en laserarkitektur med tre nøgleegenskaber. Først, den giver samtidigt fem højeffektimpulser og tusinde laveffektimpulser i sekundet, alle følger samme vej. Sekund, beamline-designet er optimeret til at holde høj- og laveffektimpulserne matchet i størrelse og divergens. Endelig, den erstatter et af de reflekterende strålelinjespejle med en innovativ kileformet reflektor, der har specialbelægninger på både for- og bagsiden.

Næsten hele hovedstrålen reflekteres fra optikkens forside uden at blive mærkbart påvirket. En lille smule af strålen, repræsenterer måske 1% af inputeffekten, forplanter sig gennem den forreste overflade og reflekteres fra den bagerste overflade. Denne "vidnestråle" går gennem enhver efterfølgende optik næsten parallelt med hovedstrålen, med lige nok afledning til nem placering af måleinstrumenter. Slutresultatet er en vidnestråle med pegevinkel og tværgående position i høj grad korreleret med hovedstrålens.

Resultatet, sagde Isono, er "en måling, der ikke vil forstyrre hovedlaserstrålen, fortæller os dog meget præcist om det."

Fordele for BELLA Center og videre

Et nærliggende mål er at bruge denne diagnostik som en del af et feedback-system til aktiv stabilisering af laserens tværgående position og pegevinkel. Foreløbige undersøgelser med 100-terawatt laseren på BELLA Center har været lovende. Manuskriptet opstiller muligheden for at fjerne rystelserne på højeffekts 5 Hz laseren ved aktivt at stabilisere laveffekt 1 kHz laserpulstoget. Laserstrålevibrationer og bevægelse blev observeret at forekomme på en skala på nogle få titus hertz, som ligger godt inden for rækkevidden af ​​et praktisk feedbacksystem. Der forventes en femdobling af position og vinkel på højeffekt laserpulslevering.

Udviklingen af ​​laser-plasma partikelacceleratorer (LPA'er), som er den primære mission for BELLA Center, eksemplificerer den potentielle fordel ved denne innovation. LPA'er producerer ultrahøje elektriske felter, der accelererer ladede partikler meget hurtigt, giver derved løftet om en næste generation af mere kompakte, mere overkommelige acceleratorer til en bred vifte af applikationer. Da LPA'er udfører deres acceleration i et tyndt hult rør, eller "kapillær, " de ville have stor gavn af forbedret kontrol af drivlaserstrålens position og pegevinkel.

En umiddelbar anvendelse på BELLA Center er brugen af ​​en laserdrevet plasmaaccelerator (LPA) til at levere elektronstråler til en fri-elektronlaser (FEL) - en enhed, der producerer lyse fotonimpulser med en langt højere energi og kortere bølgelængde end synligt lys.

"Undulatoren, det magnetiske array i hjertet af FEL, har meget strenge krav til elektronstråleaccept, som direkte relaterer til LPA-drevets laserpegevinkel og tværgående udsving, " sagde Isono.

Den foreslåede kBELLA, et næste generations lasersystem, der vil kombinere høj effekt med en kilohertz-gentagelseshastighed, vil være en anden sandsynlig anvendelse.

Der forventes interesse fra laserlaboratorier verden over. "Dette arbejde er ikke begrænset til laser-plasma acceleration, " sagde BELLA Centers direktør Eric Esarey. "Det imødekommer et specifikt behov i hele lasermiljøet med høj effekt, nemlig beviser en korreleret laveffektkopi af højeffektpulsen uden væsentlig interferens. Hvor som helst en højeffekt laserstråle skal leveres med en vis præcision til enhver applikation, denne diagnose kommer til at gøre en stor forskel. Tænk på laser-partikel kollisionseksperimenter, eller laserinteraktioner med mikronpræcisionsmål såsom kapillærer eller dråber."