Plasmalinser uden fortilfælde til højintensive lasere

Højeffekt laserimpulser fokuseret på små pletter for at nå utrolige intensiteter muliggør en række anvendelser, lige fra videnskabelig forskning til industri og medicin. I Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, for eksempel, intensitet er nøglen til at bygge partikelacceleratorer tusindvis af gange kortere end konventionelle, der når den samme energi. Imidlertid, laserplasmaacceleratorer (LPA'er) kræver vedvarende intensitet over mange centimeter, ikke bare et spotfokus, der hurtigt udvides på grund af diffraktion.

For at opnå vedvarende intensitet, BELLA Center, ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), bruger tynde hule strukturer, eller "kapillærer, " indeholdende et plasma til at transportere lysimpulserne. BELLA Center-forskere har presset på mod længere og længere kapillærer, mens de stræber efter højere stråleenergier med deres LPA'er.

Deres seneste arbejde viser, med højere præcision end nogensinde før, at disse plasmabølgeledere er ekstremt stabile og af reproducerbar høj kvalitet, og at disse egenskaber kan opretholdes over afstande helt op til 40 centimeter. Det bekræfter, at denne nøgleteknologi til LPA'er kan skaleres op, efterhånden som BELLA-centret skubber mod højere energier, til gavn for potentielle anvendelser, der spænder fra biomedicinsk forskning og behandling til fri-elektron-laser lyskilder til forskningsfaciliteter.

Arbejdet - ledet af postdoc Marlene Turner, arbejder med stabsforsker Anthony Gonsalves - er beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet High Power Laser Science and Engineering .

"Dette arbejde viser, at kapillærer kan producere ekstremt stabile plasmamål for acceleration, og at observerede variationer i acceleratorens ydeevne primært er laserfluktuationsdrevet, som indikerer behovet for aktiv laserfeedbackkontrol, " sagde Cameron Geddes, direktør for Accelerator Technology and Applied Physics Division, BELLA Centers forældreorganisation.

Plasmakanaler giver ensartet vejledning til kraftige pulser

Fiberoptik kan transportere laserstråleimpulser over tusindvis af kilometer, et princip, der er kendt i moderne computernetværk. Imidlertid, med de høje laserintensiteter, der bruges på BELLA Center (20 størrelsesordener mere intense end sollys på jordens overflade), elektroner ville næsten øjeblikkeligt blive fjernet fra deres moderatomer af laserfeltet, ødelægge faste materialer såsom glasfibre. Løsningen er at bruge plasma, en stoftilstand, hvor elektroner allerede er blevet fjernet fra deres atomer, som en "fiber".

BELLA-centret har brugt plasmaer til at guide laserimpulser over afstande så lange som 20 centimeter for at opnå de højeste laserdrevne partikelenergier til dato. Plasmaet skabes af en elektrisk udladning inde i kapillæren. Det er her, elektroner "surfer" en bølge af ultrahøjt elektrisk felt opsat af laserpulsen. Jo længere vedvarende fokus er, jo hurtigere går de i slutningen af ​​turen.

Imidlertid, gasnedbruddet i en elektrisk afladning er en voldsom og stort set ukontrolleret hændelse (forestil dig en lille, begrænset lynnedslag). Kortlægning af en vej frem til stadig højere energier og præcisionskontrol i BELLA Center, forskere havde brug for at vide, hvor reproducerbare de bølgeledende egenskaber er fra en laserimpuls til en anden, og hvor godt hver laserpuls kan styres.

For at give bølgeledende resultater analogt med en fiberoptik, plasmadensiteten skal være lavest i midten, med en profil matematisk beskrevet som parabolsk. "Vi viste, med hidtil uset præcision, at plasmaprofilerne faktisk er meget parabolske i forhold til laserpulspletstørrelsen, de er designet til at guide, " sagde Gonsalves. "Dette giver mulighed for pulsudbredelse i bølgelederen uden kvalitetsforringelse."

Andre typer plasmabølgeledere (der er flere måder at skabe dem på) kan også måles med høj præcision ved hjælp af disse metoder.

Målepræcisionen var også ideel til at undersøge, hvor meget tæthedsprofilen ændrer sig fra et laserskud til et andet, da selv om kapillæren er holdbar, det bølgeledende plasma i det dannes på ny hver gang. Teamet fandt enestående stabilitet og reproducerbarhed.

"Disse resultater, sammen med vores igangværende arbejde med aktiv feedback hjulpet af maskinlæringsteknikker, er et stort skridt til at forbedre stabiliteten og anvendeligheden af ​​laser-plasma acceleratorer, " sagde Eric Esarey, direktør for BELLA Centeret. (Aktiv feedback for at stabilisere lasersvingninger er også genstand for forskning og udvikling på BELLA Center.)

Guidede laserimpulser belyser en vej mod fremskridt

Laser-plasmaaccelerationsteknologi kan reducere størrelsen og omkostningerne ved partikelacceleratorer – hvilket øger deres tilgængelighed for hospitaler og universiteter, for eksempel, og i sidste ende bringe disse fordele til en næste generation af partikelkolliderer til højenergifysik. En af nøglerne til at øge deres partikelstråleenergi ud over den nuværende rekord på 8 milliarder elektronvolt (GeV) er brugen af ​​længere accelererende kanaler; en anden er "iscenesættelse, " eller brugen af ​​output fra et accelerationsmodul som input til et andet. Verifikation af kvaliteten af ​​plasmakanalen, hvor accelerationen finder sted - og konsistensen og reproducerbarheden af ​​denne kvalitet - giver en tillidserklæring til teknologigrundlaget for disse planer.

Udover at vise, at denne kapillarbaserede bølgeleder er af høj og ensartet kvalitet, dette arbejde involverede bølgeledere dobbelt så lange som den, der blev brugt til at opnå rekordstor energi. "De præcise 40 centimeter lange bølgeledere, vi nu har udviklet, kunne skubbe disse energier endnu højere, " sagde Turner.