Als unieke energiebron spelen superlasers een sleutelrol in veel aspecten zoals wetenschappelijk onderzoek, industrie en geneeskunde. Om laserpulsen met hoge intensiteit te verkrijgen, convergeren de stralen over het algemeen tot een zeer klein formaat in de ruimte, en na convergeren zullen ze snel uiteenlopen als gevolg van diffractie-effecten. In gebieden zoals laser wakefield versnelling zijn lasers echter nodig om een hoge lichtintensiteit over een aanzienlijke afstand te behouden. Een studie onder leiding van Marlene Turner, een wetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), strekt zich uit tot dit gebied.
In de laser wakefield versnelling, wordt de super-aangedreven laser gebruikt om de elektrostatische golven in het plasma te prikkelen, en de geladen deeltjes kunnen worden versneld in de elektrostatische golven, vergelijkbaar met surfen op de zee. Het meest bijzondere kenmerk van dit type versneller is dat de versnellingsafstand die nodig is voor geladen deeltjes om een bepaalde hoeveelheid energie te verkrijgen duizenden keren korter is dan die van traditionele versnellingsmethoden. Als de laserstraal echter niet wordt geleid, zal deze zich kort na de focus verspreiden, waardoor de intensiteit van de laserpuls en de versnellingsafstand die het hoge intensiteitsontwaakveld kan aandrijven, sterk worden verminderd. Daarom zal de verkorting van de versnellingsafstand ervoor zorgen dat de deeltjes niet de beste versnellingsenergie verkrijgen.
Voor pulsen met lage intensiteit is de oplossing voor diffractie glasvezel, dat de laserstraal duizenden kilometers kan leiden, maar lasers met hoge intensiteit kunnen de optische vezel beschadigen. In een artikel in het tweede nummer van High Power Laser Science and Engineering 2021 bestudeerden professor Marlene Turner en anderen de plasmavezel die wordt gebruikt voor superkrachtige lasers. Plasma kan het diffractie-effect verminderen en de laserstraal begeleiden om de transmissieafstand met hoge intensiteit uit te breiden. . Het onderzoeksteam toonde de langste 40 cm hoogwaardige afscheiding capillair tot nu toe.
Hoe begeleidt de plasmagolfgeleider de laser? De lens of optische vezel kan het laserlicht door de sterkste brekingsindexverdeling in het centrum afbuigen. Voor plasma wordt het bereikt door de laagste elektronendichtheidsverdeling in het centrum. Het geleidelijk verhogen van de verdeling van elektronendichtheid in de radiale richting leidt tot een geleidelijke toename van de brekingsindex in de radiale richting, die lijkt op een superkrachtige lens of laserbuis voor krachtige lasers.
Hoe kan zo'n plasma worden gegenereerd? Tot nu toe zijn een aantal technologieën geïmplementeerd. In dit artikel gebruikten de onderzoekers een met gas gevulde saffier capillaire buis met elektroden verbonden met beide uiteinden. Het plasma wordt gegenereerd door hoogspanningsontlading. De afvoerstroom verwarmt het plasma en koelt het af in de buurt van de buiswand, waardoor de temperatuur dichter bij de buiswand lager wordt. Doordat de luchtdruk in balans is, neemt de elektronendichtheid van het midden naar de uiteinden geleidelijk toe, wat resulteert in een supersterke golfgeleider voor het geleiden van de laserstraal.
In tegenstelling tot een statische glazen lens of optische vezel, wordt de plasmonische golfgeleider elke puls opnieuw vastgesteld. Daarom bestudeerden de onderzoekers in detail de parameterveranderingen van elke ontlading en toonden ze uitstekende stabiliteit en herhaalbaarheid aan. Dit is erg belangrijk voor de accelererende straal met multi-parameter veranderingen in de versnelling van het laserontwaakveld. De onderzoekers ontdekten dat de verandering van golfgeleiderparameters in verschillende ontladingsprocessen minder dan 1% is en dat de dichtheidsverdeling in elk kanaal zeer dichtbij is. Dit betekent dat elke laserpuls op dezelfde manier langs hetzelfde pad in de golfgeleider zal reizen.
"Dit werk toont aan dat de capillaire buis een zeer stabiel plasma kan genereren, wat aangeeft dat de fluctuaties die in de versnellerprestaties worden waargenomen voornamelijk te wijten zijn aan de fluctuaties van de laseraandrijving, en dat zeer onmiddellijke laserfeedbackcontrole nodig is om stabiliteit te garanderen." California LBNL accelerator technology Dr. Cameron Geddes, directeur van de Applied Physics Department, gaf de bovenstaande opmerkingen over dit werk.
De precieze controle van de vorm van de glazen lens bepaalt de optische prestaties, maar het is een uitdaging om het plasma op hetzelfde niveau te regelen. Idealiter is de elektronendichtheidsverdeling parabolisch, maar in feite is het niet langer een parabool ver weg van de as van het kanaal. De onderzoekers ontdekten dat dit erg belangrijk is in het plasma als telescoopsysteem om de brandpuntsvlek van de straal te vergroten. Door middel van zeer nauwkeurige controle gebruiken de onderzoekers in dit artikel parabolisch plasma verspreid in de buurt van de brandpuntsvlek van de laser om de laser te begeleiden, zodat de kwaliteit van de straal niet afneemt tijdens de voortplanting van de straal. De ontlading capillaire golfgeleider heeft hoogenergetische elektronen verkregen in de laser wakefield versneller. De 40 cm lange golfgeleider ontwikkeld door het onderzoeksteam zal naar verwachting de afgesneden energie naar een hoger niveau tillen.
