'S Werelds hoogste gain high power laserversterker - in vele ordes van grootte - is ontwikkeld in onderzoek geleid aan de Universiteit van Strathclyde.

De onderzoekers toonden de haalbaarheid aan van het gebruik van plasma om korte laserpulsen van energie op picojoule-niveau te versterken tot 100 millijoule, wat een 'winst' of versterking is van meer dan acht ordes van grootte - wat kan worden vergeleken met het versterken van het geluid van ritselende bladeren met dat van een jumbojet - in slechts twee mm plasma.

Ze gebruikten 150 J-pulsen van het krachtige Vulcan-lasersysteem in de Central Laser Facility (CLF) van de Science and Technology Facilities Council. Tijdens twee baanbrekende experimenten bij het CLF, de wetenschappers werkten nauw samen met CLF-personeel om de Vulcan-laser aan te passen zodat twee verschillende kleurenlasers energie in een plasma konden uitwisselen. De gemeten versterkingscoëfficiënt van 180 cm-1 is meer dan 100 keer groter dan haalbaar is met bestaande krachtige lasersysteemversterkers op basis van solid-state media.

De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , in een artikel getiteld Een ultrahoge versterking en efficiënte versterker op basis van Raman-versterking in plasma.

Professor Dino Jaroszynski, van Strathclyde's Department of Physics, leidde het onderzoek. Hij zei:"Raman-amplificatie in plasma is een fascinerend concept dat de ideeën van Nobelprijswinnaar voor natuurkunde CV Raman combineert met plasma, optische en laserfysica.

Hier, een relatief lange, hoogenergetische laserpuls wordt gemaakt om in plasma te botsen met een korte, zeer lage energiepuls. Op het punt waar ze botsen produceren ze een slaggolf, net als die van twee botsende watergolven. De lichte druk van het slagpatroon drijft plasma-elektronen in een regelmatig patroon of echelon dat de slaggolf nabootst. Dit meerlaagse echelon werkt als een zeer hoge reflectiviteit, in de tijd variërende spiegel die de energie van de hoge energiepuls opveegt en deze weerkaatst in de lage energiepuls, waardoor de puls met lage energie wordt versterkt en de energie ervan wordt gecomprimeerd tot een ultrakorte lichtpuls.

"Onze resultaten zijn erg belangrijk omdat ze de flexibiliteit van het plasmamedium als een versterkermedium met zeer hoge versterking aantonen. We laten ook zien dat de efficiëntie van de versterker behoorlijk groot kan zijn, minimaal 10%, wat ongekend is en verder kan worden verhoogd. Echter, het laat ook zien wat er nog moet worden begrepen en gecontroleerd om een ​​single-stage high-gain te bereiken, zeer efficiënte versterkermodule.

"Een voorbeeld van de uitdagingen waarmee we nog steeds worden geconfronteerd, is hoe om te gaan met de versterking van 'ruis' die wordt geproduceerd door willekeurige plasmafluctuaties, wat nog wordt verergerd door de extreem hoge gain. Dit leidt tot ongewenste kanalen voor de energie om te gaan. We boeken uitstekende vooruitgang en zijn van mening dat we in een uitstekende positie verkeren om deze problemen in onze volgende experimentele campagnes op te lossen."

Dr Gregory Vieux die het onderzoeksteam leidde dat bij het CLF werkt, zei:"Plasma is een zeer aantrekkelijk medium om mee te werken. Het heeft geen schadedrempel omdat het al een volledig afgebroken medium is, daarom kunnen we het gebruiken om korte laserpulsen te versterken zonder uit te rekken en opnieuw te comprimeren. Een ander voordeel is dat verdere compressie tijdens de versterking theoretisch mogelijk is. Dit zou de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van de volgende generatie lasersystemen die ultra-intensieve en ultrakorte pulsen leveren en tegen een fractie van de kosten van bestaande lasers.

"Nog altijd, we zijn er nog niet helemaal. De regeling is gebaseerd op het beheersen van de Raman-instabiliteit. Het heeft zo'n grote groeifactor dat het zich kan ontwikkelen en groeien vanuit kleine plasmafluctuaties."

Laserversterkers zijn apparaten die licht versterken. In degenen die ons bekend zijn, dit wordt gedaan door de lichtemissie van elektronen in atomen of vaste stof te synchroniseren, om het samenhangend te maken, wat een noodzakelijke stap is om tot zeer hoge bevoegdheden te komen. Echter, zeer krachtige lasers aan de grens van de technologie worden beperkt door schade aan hun optische componenten en versterkende media. Dit maakt ze erg groot en erg duur.

Plasma, het alomtegenwoordige medium van het universum, biedt een manier om deze beperking te omzeilen omdat het zeer robuust is en bestand tegen schade - plasma kan worden gezien als materie die al is afgebroken tot de kleinste samenstellende elementen:elektronen en ionen. Door golven in plasma te benutten, kunnen we de grootte van laserversterkers drastisch verminderen en tegelijkertijd een route bieden naar veel hogere piekvermogens dan nu mogelijk is, het petawatt-bereik overschrijden om mogelijk exawatts te bereiken. Dit is een zeer waardig doel omdat zeer intense laserpulsen kunnen worden gebruikt voor fundamentele studies, zoals versnellende deeltjes, helpen bij het aandrijven van kernfusie of zelfs het extraheren van deeltjes uit vacuüm en het nabootsen van de omstandigheden in sterren of de oorspronkelijke toestand van het universum in het laboratorium.

De krachtigste lasers ter wereld zullen beschikbaar zijn voor gebruik in drie onderzoekscentra die deel uitmaken van het European Extreme Light Infrastructure (ELI)-project. Dit project van 850 miljoen euro is gewijd aan de studie van licht-materie-interacties bij de hoogste intensiteiten en de kortste tijdschalen. Het laservermogen bij ELI is 1016 Watt of 5% van het totale zonnevermogen dat op elk moment op aarde wordt geabsorbeerd. Deze lasers zullen leiden tot nieuwe wetenschap en technologie die, bijvoorbeeld, ons begrip van hoogveldfysica transformeren en resulteren in nieuwe radiotherapiemodaliteiten voor de behandeling van kanker. De kosten van lasertechnologie moeten worden verlaagd, die plasma zou kunnen bieden. Plasma kan een route zijn naar hogere vermogens om verder te gaan dan die beschikbaar zijn bij ELI om exawatt-vermogens te bereiken.