Een nieuwe studie roept de VS op om hun laser-R&D-inspanningen op te voeren om beter te kunnen concurreren met grote overzeese inspanningen om grote, krachtige lasersystemen, en noteert de voortgang en mijlpalen in het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center van het Department of Energy en andere locaties.

Een investering in deze zogenaamde "tweede laserrevolutie" belooft een scala aan toepassingen te openen, van machinale bewerking tot medicijn tot deeltjesversnelling, volgens het decemberrapport van de National Academies of Sciences, Engineering, en geneeskunde, die onafhankelijke analyses biedt aan overheidsinstanties en beleidsmakers.

Het 280 pagina's tellende rapport, "Kansen in intense ultrasnelle lasers:reiken naar het helderste licht", beveelt meer coördinatie en samenwerking door overheidslaboratoria en -instanties aan, universiteiten, en de industrie om Amerikaanse laserfaciliteiten en -capaciteiten op te bouwen.

Het beveelt ook aan dat de DOE leiding geeft aan de totstandkoming van een nationale strategie voor het ontwikkelen en exploiteren van grootschalige nationale laboratoriumgebaseerde laserprojecten, middelgrote projecten die mogelijk aan universiteiten kunnen worden gehost, en een programma voor de overdracht van lasertechnologie, dat de industrie verbindt, academische wereld, en nationale laboratoria.

De commissie die het rapport heeft opgesteld, heeft Berkeley Lab en andere nationale laboratoria in Noord-Californië bezocht, waaronder SLAC National Accelerator Laboratory en Lawrence Livermore National Laboratory. De commissie heeft ook een bezoek gebracht aan de Extreme Light Infrastructure Beamlines-laserfaciliteit die in de Tsjechische Republiek wordt gebouwd, en het Laboratorium voor Laser Energetica van de Universiteit van Rochester in New York.

In het Lawrence Berkeley National Laboratory van het DOE (Berkeley Lab), Wetenschappers van BELLA werken aan de ontwikkeling van op laser gebaseerde versnellingstechnieken die zouden kunnen leiden tot compactere deeltjesversnellers voor hoge-energiefysica en drivers voor energierijke lichtbronnen; ook, het rapport merkt op, "expertise en gebruik van lasers" die in andere laboratoria waren geconcentreerd "wordt nu uitgebreid met plannen voor het gebruik van lasers bij (Berkeley Lab)" en elders.

BELLA heeft vooruitgang geboekt bij het aantonen van de snelle versnelling van elektronen met behulp van afzonderlijke fasen van op laser gebaseerde versnelling door plasma's te vormen en te verwarmen waarin een krachtige golf wordt gecreëerd waarop elektronen kunnen "surfen".

"Er is al veel werk gedaan, en Berkeley Lab is een belangrijke ontwikkelaar geweest voor de visie van waar dingen naartoe moeten, zei Wim Leemans, directeur van het BELLA Center en de Accelerator Technology &Applied Physics Division van het Lab.

Berkeley Lab was de thuisbasis van een baanbrekend experiment in 2004 waaruit bleek dat laserplasmaversnelling relatief smalle bundels met energiespreiding kan produceren - gerapporteerd in de zogenaamde "Dream Beam" -uitgave van het tijdschrift Natuur - en in 2006 een vergelijkbare lasergestuurde versnellingstechniek gebruikten om elektronen te versnellen tot een toen record-energie van 1 miljard elektronvolt, of GeV. Die prestatie werd in 2014 gevolgd door een straal van 4,2 GeV, met behulp van de krachtige nieuwe laser die het hart van het BELLA Center vormt en de sleutel zal vormen tot zijn lopende campagne voor 10 GeV. 1996, Berkeley Lab registreerde ook de eerste demonstratie van röntgenpulsen die slechts quadriljoensten van een seconde duurden met een techniek die bekend staat als "inverse Compton-verstrooiing, ’, meldt het rapport.

K-BELLA:snelheid en kracht combineren

"Wat de industrie ziet, is de drang naar lasers met een hoger gemiddeld vermogen en ultrasnelle lasers, en het begint een impact te hebben op machinale en industriële toepassingen, "Zei Leemans. "Dat is echt goed nieuws voor ons." In laserlingo, gemiddeld vermogen heeft betrekking op het totale vermogen dat de laser in de loop van de tijd afgeeft, het tellen van de pulsen en de "off time" tussen pulsen, terwijl het piekvermogen dat van een individuele puls is.

Een hoge snelheid van krachtige pulsen geeft een laser een hoger gemiddeld vermogen en kan mogelijk worden toegepast op een breder scala aan toepassingen. Het rapport van de National Academies beveelt aan dat wetenschappelijke belanghebbenden in de VS moeten werken aan het definiëren van de technische specificaties in doelstellingen voor laserprestaties, zoals doelen voor piekvermogen, herhalingsfrequentie, lengte van pulsen, en de golflengte van laserlicht.

In 2012 vestigde de laser van het BELLA Center een record door een petawatt (vier miljard watt) vermogen te leveren, verpakt in pulsen van 40 quadriljoenste van een seconde en met een snelheid van één per seconde.

Een nieuw doel is om deze hartslag te verhogen tot 1, 000 per seconde, of een kilohertz, voor een next-gen upgrade genaamd K-BELLA. Het produceren van pulsfrequenties tot 10, 000 of 100, 000 per seconde zou deze machine relevant kunnen maken voor een nieuw type op laser gebaseerde deeltjesversneller.

"Er zijn veel toepassingen voor een laser in k-BELLA-stijl, " zei Leemans. De visie is dat k-BELLA een onderzoeksfaciliteit voor samenwerking wordt die openstaat voor wetenschappers van buiten het Lab, hij zei, die ook synchroniseert met de aanbevelingen in het rapport om een ​​meer coöperatieve omgeving voor laserwetenschap en wetenschappers te bevorderen. Het smeden en onderhouden van verbindingen met andere lasercentra van wereldklasse is ook de sleutel voor het Amerikaanse laserprogramma, het rapport merkt op.

Een andere upgrade die nuttig kan zijn voor het Amerikaanse laserprogramma is de toevoeging van een tweede bundellijn bij BELLA, aldus Leemans. Een tweede bundellijn kan exotische botsingen tussen een lichtstraal en een elektronenbundel mogelijk maken, of tussen twee lichtstralen.

Lasergeproduceerde bundels van lichtelementen, en lasergeproduceerde elektronenbundels met lage energie, zou ook bij BELLA kunnen worden nagestreefd om de biomedische basis te ontwikkelen voor nieuwe soorten medische behandelingen die beter gericht zijn op kanker, bijvoorbeeld. "We kijken ernaar uit om onze eigen lasercapaciteiten bij Berkeley Lab te verbeteren, terwijl we met onze partners samenwerken om de laser-R&D-inspanningen van het land te versterken, " zei James Symons, associate laboratoriumdirecteur voor natuurwetenschappen. "Lasers met een hoger gemiddeld vermogen zullen essentieel zijn voor alle praktische toepassingen van laserplasmaversnellers."