Berkeley Lab-doktorale student Fumika Isono (middel), BELLA-sentrum se adjunkdirekteur Jeroen van Tilborg (regs), en navorsingswetenskaplike Sam Barber het 'n nuwe laserstabiliseringseksperiment by een van die BELLA-sentrum se 100-TW-klas lasers opgestel. Krediet: Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Optiese innovasie deur Berkeley Lab kan die onrustigheid van hoëkrag-lasers kalmeer
Die Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Sentrum by die Departement van Energie se Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) het 'n innoverende optiese stelsel ontwikkel en getoets om die posisie en wyshoek van hoë-krag laserstrale presies te meet en te beheer met ongekende akkuraatheid – sonder om die strale te onderbreek of te versteur. Die nuwe stelsel sal gebruikers dwarsdeur die wetenskap help om die meeste uit hoëkraglasers te kry.
Die eksperimentele valideringspoging is gelei deur doktorale kandidaat Fumika Isono van Berkeley Lab en UC Berkeley. Haar bevindinge word beskryf in 'n referaat wat onlangs deur die Cambridge University Press-joernaal gepubliseer is, Hoë Krag Laser Wetenskap en Ingenieurswese.
"Dit is 'n geweldige vooruitgang in meting en beheer wat hoëkrag-laserfasiliteite wêreldwyd sal bevoordeel," sê Cameron Geddes, Direkteur van Berkeley Lab se Versnellertegnologie en Toegepaste Fisika (ATAP) Afdeling, waarvan die BELLA-sentrum deel is.
Meting sonder steurnis
Mense dink aan 'n laser as so presies dat dit in die taal as metafoor oorgaan, maar gebruikers met veeleisende toepassings weet dat laserstrale op 'n klein skaal rondbeweeg in reaksie op die vibrasies en veranderlikheid van selfs die mees beheerde laboratoriumomgewing.
"Om die teiken met so min as 'n paar mikron te mis, kan die verskil maak tussen wonderlike wetenskap en 'n ongewenste toevoeging tot agtergrondgeraas," het Isono gesê.
Wyshoekverskuiwings van minder as 'n duisendste van 'n graad kan ook ongewenste kompleksiteite tot gevolg hê. Dis waar diagnostiese sensors en terugvoerstelsels ter sprake kom.
Om hierdie parameters akkuraat te meet en sonder om die straal te onderskep, is die truuk. Tradisionele metodes verminder óf die krag van die bundel grootliks deur sy pulse te onderskep (wat in elk geval moeilik is vir intense, hoë-aangedrewe bundels) óf ly aan onakkuraathede omdat hulle nie die bundel presies meet soos gelewer nie. Die BELLA-sentrum se innoverende benadering behels die afsplitsing en monitering van 'n lae-aangedrewe presiese kopie van die hoofstraal, weerkaats vanaf die agteroppervlak van 'n spesiaal ontwerpte finale optiese in die straallyn.
Die hart van hierdie nuwe benadering is 'n laserargitektuur met drie sleutelkenmerke. Eerstens verskaf dit gelyktydig vyf hoë-krag-pulse en 'n duisend lae-krag-pulse per sekonde, wat almal dieselfde pad volg. Tweedens, die straallynontwerp is geoptimaliseer om die hoëkrag- en laekragpulse in grootte en divergensie ooreenstem te hou. Laastens vervang dit een van die reflektiewe straallynspieëls met 'n innoverende wigvormige weerkaatser wat spesiale bedekkings op beide die voor- en agteroppervlakke het.
Byna al die hoofstraal word van die voorkant van die optiese af weerkaats sonder om andersins merkbaar aangetas te word. 'n Klein bietjie van die straal, wat miskien 1% van die insetkrag verteenwoordig, propageer deur die vooroppervlak en word van die agterste oppervlak af weerkaats. Hierdie "getuiestraal" gaan deur enige daaropvolgende optika amper parallel met die hoofstraal, met net genoeg afleiding vir maklike plasing van meetinstrumente. Die eindresultaat is 'n getuiestraal met wyshoek en dwarsposisie wat hoogs gekorreleer is met dié van die hoofstraal.
Die resultaat, het Isono gesê, is "'n meting wat nie met die hooflaserstraal sal inmeng nie, maar tog baie akkuraat vir ons daarvan vertel."
Voordele vir die BELLA Sentrum en verder
'n Naby-toekomsdoelwit is om hierdie diagnose te gebruik as deel van 'n terugvoerstelsel vir aktiewe stabilisering van die laser se dwarsposisie en wyshoek. Voorlopige studies met die 100-terawatt-laser by BELLA-sentrum was belowend. Die manuskrip lê die vooruitsig uit om die jitters op die hoë-krag 5 Hz laser te verwyder deur aktief die lae-krag 1 kHz laser puls trein te stabiliseer. Daar is waargeneem dat laserstraalvibrasie en -beweging op 'n skaal van 'n paar tien hertz voorkom, wat goed binne die omvang van 'n praktiese terugvoerstelsel is. 'n Vyfvoudige verbetering in posisie en hoek van hoëkrag-laserpulslewering word verwag.
Die kern van die Berkeley Lab-innovasie is 'n wigvormige optiese met 'n 99% reflektiewe vooroppervlak vir die hoofstraal, en 'n ingewigde agteroppervlak om 'n lae-aangedrewe getuiestraal te reflekteer. Albei gereflekteerde strale word op byna dieselfde afstand langs byna identiese paaie tot 'n fokus gebring, so die getuiestraal ondergaan dieselfde bewegings as die hoofstraal. Krediet: Berkeley Lab
Die ontwikkeling van laser-plasma deeltjieversnellers (LPA's), wat die primêre missie van die BELLA-sentrum is, is 'n voorbeeld van die potensiële voordeel van hierdie innovasie. LPA's produseer ultrahoë elektriese velde wat gelaaide deeltjies baie vinnig versnel, en bied sodoende die belofte van 'n volgende generasie meer kompakte, meer bekostigbare versnellers vir 'n wye verskeidenheid toepassings. Aangesien LPA's hul versnelling binne 'n dun hol buis, of "kapillêre" uitvoer, sal hulle baie baat by verbeterde beheer van die dryflaserstraalposisie en wyshoek.
Een onmiddellike toepassing by die BELLA-sentrum is die gebruik van 'n lasergedrewe plasmaversneller (LPA) om elektronstrale vir 'n vry-elektronlaser (FEL) te verskaf – 'n toestel wat helder fotonpulse teen 'n veel hoër energie en korter golflengte as sigbare lig.
"Die undulator, die magnetiese skikking in die hart van die FEL, het baie streng vereistes vir elektronstraalaanvaarding, wat direk verband hou met die LPA-aandrywinglaserwyshoek en transversale fluktuasies," het Isono gesê.
Die voorgestelde kBELLA, 'n volgende generasie laserstelsel wat hoë krag met 'n kilohertz herhalingstempo sal kombineer, sal nog 'n waarskynlike toepassing wees.
Belangstelling van laserlaboratoriums wêreldwyd word verwag. "Hierdie werk is nie beperk tot laserplasmaversnelling nie," het Eric Esarey, direkteur van BELLA-sentrum, gesê. “Dit spreek 'n spesifieke behoefte regdeur die hoëkrag-lasergemeenskap aan, naamlik om 'n gekorreleerde laekrag-kopie van die hoëkrag-puls sonder noemenswaardige inmenging te bewys. Enige plek waar 'n hoë-krag laserstraal met 'n mate van akkuraatheid aan enige toepassing gelewer moet word, gaan hierdie diagnostiese 'n groot verskil maak. Dink aan laser-deeltjie botsing eksperimente, of laser interaksies met mikron-presisie teikens soos kapillêre of druppels.
Verwysing: "Hoëkrag nie-perturbatiewe laserafleweringsdiagnostiek by die finale fokus van 100-TW-klas laserpulse" deur Fumika Isono, Jeroen van Tilborg, Samuel K. Barber, Joseph Natal, Curtis Berger, Hai-En Tsai, Tobias Ostermayr, Anthony Gonsalves, Cameron Geddes en Eric Esarey, 26 Mei 2021, Hoë Krag Laser Wetenskap en Ingenieurswese.
DOI: 10.1017/hpl.2021.12
Die werk is ondersteun deur die DOE Kantoor vir Wetenskap, Kantoor vir Basiese Energiewetenskappe, deur 'n Vroeë Loopbaannavorsingsprogram-toekenning aan Jeroen van Tilborg, benewens die Kantoor vir Hoë Energie Fisika en die Gordon en Betty Moore-stigting.
