Een opeenvolging van versterkers en spiegels uitlijnen met haardunne precisie op een tafelblad verankerd aan een stalen blok diep onder de grond, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een krachtige groene laser geproduceerd. Het licht - de groene laser met het hoogste gemiddelde vermogen ooit gegenereerd door een enkele laser op basis van vezels - zal cruciaal zijn voor experimenten in de kernfysica in de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) van het Lab.

"Als het groene licht een doelwit raakt, 27 meter stroomafwaarts van dit tafelblad, het genereert pulsen van elektronen die nodig zijn om de ionenbundels bij RHIC te koelen om ze te laten botsen, " zei Brookhaven-natuurkundige Zhi Zhao, die het lasersysteem heeft gebouwd en hoofdauteur is van een paper waarin de kenmerken ervan worden beschreven in Optica Express , een tijdschrift van de Optical Society of America. Naast het koelen van ionenbundels bij RHIC, zo'n krachtige groene laser zou ook toepassingen kunnen hebben in materiaalverwerking, laserbewerking, en het genereren van andere lasers.

Elektronen gebruiken om ionenstralen te koelen

Hoge aanvaringspercentages bij RHIC genereren stapels gegevens voor de 1, 000 kernfysici die naar deze DOE Office of Science User Facility komen om de ingewikkelde details van de bouwstenen van materie te bestuderen. De botsingen reduceren de bouwstenen tot hun meest primitieve vorm - een soep van fundamentele deeltjes die de omstandigheden van het vroege universum nabootst. Maar terwijl de ionen door RHIC's tunnels met een omtrek van 2,4 mijl circuleren, ze hebben de neiging om op te warmen en uit elkaar te spreiden, waardoor de kans op botsingen kleiner wordt.

"Intra-beam verstrooiing zorgt ervoor dat de ionen zich verspreiden en verloren gaan, zodat de straal het niet overleeft, " zei RHIC-versnellerfysicus Michiko Minty, een co-auteur op het papier en leider van het project om deze laser te ontwikkelen en te integreren in RHIC-collideroperaties.

Verwarming is een bijzonder probleem wanneer de ionenbundels met relatief lage energieën circuleren - in een bereik dat RHIC-wetenschappers gebruiken om interessante aspecten te bestuderen van hoe de oersoep transformeert in meer bekende protonen en neutronen. Daarom hebben natuurkundigen van RHIC manieren onderzocht om periodiek een stroom relatief koele elektronen te injecteren om een ​​deel van de warmte van de ionen weg te nemen.

"Het hele punt van elektronenkoeling is om de verspreiding van de ionenbundels te stoppen om de botsingssnelheid te maximaliseren, ' zei Minty.

Elektronenkoeling is succesvol geweest bij andere deeltjesversnellers. Maar bij RHIC onderzoeken natuurkundigen nieuwe strategieën voor het genereren van elektronenbundels bij zeer hoge elektronenenergieën (miljarden elektronenvolt), wat het gebruik van lineaire radiofrequentieversnelling van energetische bundels vereist.

"We moeten bundels elektronen maken die overlappen met de ionenbundels, en de ionenbundels herhalen. Dus we willen een reeks pulstreinen van elektronen genereren die samen met de ionen voortplanten, zodat de energie van de ionen naar de elektronen kan worden overgebracht. waardoor de ionenbundel krimpt, ' zei Minty.

Het idee is om pulsen van een laser te gebruiken om een ​​foto-emitterend materiaal te raken - een materiaal dat elektronen uitzendt wanneer het met precies de juiste golflengte wordt geraakt. of kleur, van licht - in een fotokathode-elektronenkanon. In het geval van de fotokathode die is geïnstalleerd in het elektronenkanon bij RHIC, de magische kleur is groen.

(Infrarood licht, groen licht, 1, 2, 3!

Om het groene licht te geven, het Brookhaven-team begon met iets onzichtbaars, een infrarood (IR) "zaad" laser met relatief laag vermogen. Ze sturen gemoduleerde pulsen van dat onzichtbare IR-licht door een reeks optische vezels om het vermogen te versterken.

Als het licht van een extra IR "pomp" laser de vezel binnenkomt, het wekt elektronen op in het materiaal dat de vezel bekleedt. Wanneer deze elektronen terug ontspannen naar hun "grondtoestand, " ze zenden fotonen van licht uit op de IR-golflengte, perfect synchroon met de zaad-IR-golven, het geleidelijk verhogen van de signaalsterkte in meerdere vezelversterkertrappen.

Zodra het gewenste vermogen is bereikt, de infrarode laser raakt een "frequentieverdubbelend" kristal.

"Als twee fotonen van infrarood licht het kristal raken, het zendt één foton uit met een kortere golflengte, Zhao legde uit. "Frequentieverdubbeling halveert in wezen de golflengte, het veranderen van de IR-ingang naar groen zichtbaar licht."

Het groene laserlicht zigzagt vervolgens langs paden die worden geleid door spiegels op het tafelblad door verschillende optische componenten om de netto laseroutput te optimaliseren. Deze omvatten meerdere kristallen die worden gebruikt om korte laserpulsen om te zetten in een reeks van meerdere pulsen (temporele vormgeving), een verscheidenheid aan lenzen om het gewenste dwarsprofiel van de laserpulsen te produceren (ruimtelijke vormgeving), en zogenaamde halfgolfplaten die worden gebruikt om de laserstraal door te laten of te weigeren om de algehele laserintensiteit te regelen.

Na dit, het laserlicht wordt naar een reeks elektrische optische modulatoren geleid - "apparaten die delen van het laserlicht uithakken om de gewenste reeks laserpulsen te produceren - een reeks die overeenkomt met de structuur van de te koelen ionenbundels, ' legde Minty uit.

Het doel is om de pulsen te timen zodat ze overeenkomen met de frequentie van het elektronenkanon, zodat de resulterende elektronen kunnen worden versneld om perfect overeen te komen met de versnelde ionen die in RHIC circuleren.

"Uiteindelijk is het de snelheid van de ionenstraal die 'beslist' wat we nodig hebben, en daar moet alles op afgestemd zijn. We krijgen een signaal van de ionenversnellende holtes dat wordt gebruikt om de timingsignalen te genereren voor de componenten die de laserpulsstructuur genereren, ' zei Minty.

Het licht verankeren en testen

Vezellasers zijn bijzonder goed geschikt voor het genereren van elektronenbundels met hoge helderheid in fotokathode-elektroneninjectoren. De hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding van de vezel ondersteunt het genereren en leveren van laserpulsen met een hoge herhalingssnelheid en een hoog gemiddeld laservermogen. Ook, de dynamiek van het laserlicht dat zich door de vezel voortplant, leidt tot uitstekende laserprofielen, lage variaties in de positie van de laser, en onderhoudsvrije werking. Alles bij elkaar resulteren deze eigenschappen in een langdurige werking van een zeer stabiele laser, wat essentieel is voor de natuurkundeprogramma's van de RHIC.

Twee belangrijke factoren die de wetenschappers moeten controleren, zijn de extinctieverhouding van de laser - het verschil tussen de laser die aan en uit staat - en de stabiliteit ervan.

"Als je licht aanwezig hebt terwijl het er niet hoort te zijn, je krijgt resterende elektronen, die ongewenste effecten kunnen veroorzaken, "Zei Minty. "We streven naar een factor 10-6, wat betekent dat als we zeggen dat het uit is, het uit is, en slechts één op een miljoen elektronen zal doorkomen."

Voor stabiliteit, de wetenschappers moeten ervoor zorgen dat het pad van het licht niet meer dan 10 micron afwijkt van het beginpunt naar het fotokathodekanon in de RHIC-tunnel, zelfs met alle versterkingsstappen en zigzagpaden op het tafelblad.

"Algemeen, het pad is ongeveer 30 meter - 3 meter op het tafelblad met 40 spiegels die het zigzagpad creëren en 27 meter in de overdrachtslijn, " zei Zhao, staande in de mobiele trailer met de laser buiten de RHIC-ring.

"We hebben de tafel gestabiliseerd door een groot gat te graven en een stalen blok van 50 ton te begraven op het niveau van de watertafel van Long Island, en gaten in de trailer geboord om de lasertafel aan dat blok te bevestigen, "Zei Minty. "Je kunt hier op en neer springen op de vloer en de tafel zal niet bewegen, " voegde ze eraan toe, wijzend op superstabiele palen die spiegels en andere belangrijke componenten op de bewegingsgeïsoleerde tafel bevatten.

Ook, de lange geëvacueerde buizen waar de laser doorheen gaat, zijn ontkoppeld van meerdere kleinere optische tafels tussen de trailer en het elektronenkanon dat zich in de RHIC-behuizing bevindt. Deze tafels bevatten optica en spiegels met steunen die eveneens zijn ontworpen voor thermische en trillingsstabiliteit.

Het team, waaronder ook Brian Sheehy (onlangs gepensioneerd) en een nieuwe aanwinst, Patrick Inacker—heeft al twee belangrijke mijlpalen bereikt voor het Low-Energy Electron Cooling Experiment. Op 9 maart 2017, ze hebben met succes een uitlijnlaser door het hele lasertransportsysteem getransporteerd, op 5 april gevolgd door het eerste succesvolle transport met het groene laserlicht. De eerste tests van elektronenkoeling zullen naar verwachting beginnen tijdens RHIC-operaties eind 2018 en begin 2019.