Conventionele deeltjesversnellers kunnen variëren van grote apparaten ter grootte van een kamer tot faciliteiten van meerdere kilometers breed. Een van de manieren waarop wetenschappers hebben geprobeerd de omvang en kosten van toekomstige versnellers te verminderen, is door lasergestuurde plasmaversnelling te ontwikkelen. Dergelijke versnellers, echter, groeien in omvang en complexiteit om relevant te blijven voor een van hun toepassingen:hoge-energiefysica. Echter, er zijn veel toepassingen die een versnelde bundel met een lagere energie en een hogere herhalingssnelheid kunnen gebruiken. Voor de eerste keer, wetenschappers hebben de productie waargenomen van relativistische elektronen aangedreven door lage energie, ultrakorte mid-infrarood laserpulsen. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Maryland, VS, met steun van de Technische Universiteit van Wenen, Oostenrijk, zullen de bevindingen van hun groep presenteren op Grenzen in de optica + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), gehouden van 17-21 september 2017 in Washington, gelijkstroom.

"We proberen lasergestuurde versnellers te ontwikkelen die extreem compact zijn en een hoge herhalingssnelheid hebben. " zei Howard Milchberg, Fellow van The American Physical Society (APS) en The Optical Society (OSA), en hoogleraar natuurkunde en elektrotechniek aan de Universiteit van Maryland. "Dat betekent het gebruik van een zo laag mogelijke laserpulsenergie om relativistische elektronen te genereren. Dergelijke bronnen zouden kunnen worden gebruikt bij snelle scanbeeldvorming voor medische, wetenschappelijke en veiligheidstoepassingen."

Onlangs, de ontwikkeling van optische parametrische chirp pulse amplification (OPCPA) systemen in het midden-infrarood heeft het gebruik van lange golflengtepulsen op de femtoseconde schaal mogelijk gemaakt. Tot deze ontwikkeling laserpulsen met lange golflengte zijn voornamelijk verkrijgbaar bij CO2-lasers, maar ze hebben een gecompliceerde structuur met meerdere pulsen met een langere pulsduur, op de kortste duur, dan enkele picoseconden, honderden keren langer.

Gemeenschappelijke lasergestuurde acceleratie-experimenten zijn afhankelijk van korte laserpulsinteractie met een gasdoel. In vergelijking met eerdere experimenten, de lange drivergolflengte die in dit project werd gebruikt, resulteerde in gemakkelijke toegang tot wat het 'kritische dichtheid'-regime wordt genoemd. Omdat de kritische dichtheid omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de lasergolflengte, gasdoelen die worden gebruikt voor mid-IR-laserpulsen kunnen tot 100 keer minder dicht zijn dan die worden gebruikt in het zichtbare en bijna-IR, waardoor ze veel minder moeilijk te engineeren zijn.

"Wanneer een paar millijoule femtoseconden mid-IR laserpulsen door een gebogen spiegel worden gefocusseerd in een waterstofgasstraal - een stroom waterstof die uit een mondstuk blaast - straalt een gecollimeerde puls van relativistische elektronen uit de andere kant van de straal, "Michberg zei, beschrijving van het experiment. "Echter, dit kan niet gebeuren tenzij de laser een extreem hoge intensiteit bereikt - veel hoger dan mogelijk is door alleen met de gebogen spiegel scherp te stellen. Het doet dit door relativistische zelffocus in het geïoniseerde waterstofgas, zodat het instort tot een grootte die veel kleiner is dan zijn brandpunt."

Het belang om in het kritische dichtheidsregime te zijn, volgens Milchberg, is dat het relativistische zelffocus bevordert, zelfs voor laserpulsen met lage energie. Deze versterkte interactie met hoge intensiteit genereert plasmagolven die een deel van de elektronen van de geïoniseerde waterstof versnellen tot een voorwaarts gerichte relativistische bundel.

Het team ontdekte dat elektronenbundels aanwezig waren voor vermogens zodanig dat de karakteristieke zelffocusserende lengte in plasma korter was dan de, breedte van de gasstraal, waaruit blijkt dat elektronenversnelling niet kan plaatsvinden zonder relativistische zelffocus.

Relativistische zelffocussering is een extreem voorbeeld van het bekende proces van zelffocussering in niet-lineaire optica, maar nu met de bonus van versnelde relativistische deeltjes gegenereerd uit het niet-lineaire medium.

Zelfs met slechts 20 millijoule mid-IR laserenergie, de laser in deze experimenten kan de drempel voor relativistische zelffocus aanzienlijk overschrijden, aanleiding geven tot relativistische multi-filamentatie. Het team observeerde meerdere relativistische elektronenbundeltjes die verband hielden met deze filamenten.

Deze innovaties behoren tot de eerste stappen voor de ontwikkeling en toepassingen van lasergestuurde versnellers met een hoge herhalingssnelheid. "Vooral, "Michberg zei, "Lange golflengte femtoseconde lasers zijn vooral veelbelovend, omdat ze verrassend gemakkelijk toegang hebben tot het relativistische niet-lineaire regime van vrije elektronen."